Geologer tager jordens indre temperatur ved hjælp af udbrudt havglas

Hvis jordens oceaner blev drænet fuldstændigt, de ville afsløre en massiv kæde af undersøiske vulkaner, der snoede sig rundt om planeten. Dette vidtstrakte havryggesystem er et produkt af væltende materiale i Jordens indre, hvor kogende temperaturer kan smelte og hive sten op gennem skorpen, spaltning af havbunden og omformning af planetens overflade over hundreder af millioner af år.

Nu har geologer ved MIT analyseret tusindvis af prøver af udbrudt materiale langs havrygge og sporet deres kemiske historie tilbage for at estimere temperaturen i Jordens indre.

Deres analyse viser, at temperaturen på Jordens underliggende havrygge er relativt konsistent, omkring 1, 350 grader Celsius - omtrent lige så varmt som en gasrækkes blå flamme. Der er, imidlertid, "hotspots" langs højderyggen, der kan nå 1, 600 grader Celsius, sammenlignelig med den varmeste lava.

Holdets resultater, optræder i dag i Journal of Geophysical Research:Solid Earth , give et temperaturkort over jordens indre omkring havrygge. Med dette kort, Forskere kan bedre forstå de smelteprocesser, der giver anledning til undersøiske vulkaner, og hvordan disse processer kan drive tempoet i pladetektonikken over tid.

"Konvektion og pladetektonik har været vigtige processer i at forme Jordens historie, " siger hovedforfatter Stephanie Brown Krein, en postdoc i MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber (EAPS). "At kende temperaturen langs hele denne kæde er grundlæggende for at forstå planeten som en varmemotor, og hvordan Jorden kan være forskellig fra andre planeter og i stand til at opretholde liv. "

Kreins medforfattere inkluderer Zachary Molitor, en EAPS kandidatstuderende, og Timothy Grove, R.R. Schrock, professor i geologi ved MIT.

En kemisk historie

Jordens indre temperatur har spillet en afgørende rolle i udformningen af ​​planetens overflade gennem hundreder af millioner af år. Men der har ikke været nogen måde at direkte aflæse denne temperatur ti til hundrede af kilometer under overfladen. Forskere har anvendt indirekte midler til at udlede temperaturen af ​​den øvre kappe - jordens lag lige under skorpen. Men estimater indtil videre er usikre, og videnskabsmænd er uenige om, hvor meget temperaturerne varierer under overfladen.

Til deres nye undersøgelse, Kerin og hendes kolleger udviklede en ny algoritme, kaldet ReversePetrogen, der er designet til at spore en stens kemiske historie tilbage i tiden, at identificere dens oprindelige sammensætning af grundstoffer og bestemme den temperatur, hvor klippen oprindeligt smeltede under overfladen.

Algoritmen er baseret på mange års eksperimenter udført i Groves laboratorium for at reproducere og karakterisere smelteprocesserne i Jordens indre. Forskere i laboratoriet har opvarmet sten fra forskellige sammensætninger, når forskellige temperaturer og tryk, at observere deres kemiske udvikling. Fra disse eksperimenter, holdet har været i stand til at udlede ligninger – og i sidste ende, den nye algoritme - at forudsige forholdet mellem en stens temperatur, tryk, og kemisk sammensætning.

Kerin og hendes kolleger anvendte deres nye algoritme på sten samlet langs jordens havrygge - et system af undersøiske vulkaner, der spænder over mere end 70, 000 kilometer i længden. Havrygge er områder, hvor tektoniske plader spredes fra hinanden ved udbrud af materiale fra Jordens kappe - en proces, der er drevet af underliggende temperaturer.

"Du kunne effektivt lave en model af temperaturen i hele Jordens indre, dels baseret på temperaturen ved disse kamme, " siger Kerin. "Spørgsmålet er, hvad fortæller dataene os egentlig om temperaturvariationen i kappen langs hele kæden?"

Mantel kort

De data, holdet analyserede, omfatter mere end 13, 500 prøver indsamlet langs længden af ​​oceanrygsystemet over flere årtier, ved flere forskningskrydstogter. Hver prøve i datasættet er af et udbrudt havglas - lava, der brød ud i havet og øjeblikkeligt blev afkølet af det omgivende vand til en uberørt, bevaret form.

Forskere har tidligere identificeret den kemiske sammensætning af hvert glas i datasættet. Kerin og hendes kolleger kørte hver prøves kemiske sammensætning gennem deres algoritme for at bestemme den temperatur, hvor hvert glas oprindeligt smeltede i kappen.

På denne måde holdet var i stand til at generere et kort over kappe temperaturer langs hele længden af ​​havrygsystemet. Fra dette kort, de observerede, at meget af kappen er relativt homogen, med en gennemsnitstemperatur på omkring 1, 350 grader Celsius. Der er dog "hotspots, " eller områder langs højderyggen, hvor temperaturen i kappen synes væsentligt varmere, omkring 1, 600 grader Celsius.

"Folk tænker på hotspots som områder i kappen, hvor det er varmere, og hvor materiale kan smelte mere, og potentielt stiger hurtigere, og vi ved ikke helt hvorfor eller hvor meget varmere de er, eller hvad kompositionens rolle er på hotspots, " siger Kerin. "Nogle af disse hotspots er på højderyggen, og nu kan vi få en fornemmelse af, hvad hotspot-variationen er globalt ved at bruge denne nye teknik. Det fortæller os noget fundamentalt om jordens temperatur nu, og nu kan vi tænke på, hvordan det har ændret sig over tid."

Kerin tilføjer:"At forstå denne dynamik vil hjælpe os med bedre at bestemme, hvordan kontinenter voksede og udviklede sig på Jorden, og da subduktion og pladetektonik startede - som er afgørende for komplekst liv."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.