Jordens mantel – lagret mellan skorpan och den yttre kärnan – är hem för en ursoppa som är ännu äldre än månen. Bland huvudingredienserna är helium-3 (He-3), en rest av Big Bang och kärnfusionsreaktioner i stjärnor. Och manteln är dess enda terrestra källa.

Forskare som studerar vulkaniska hotspots har starka bevis på detta, hitta hög helium-3 i förhållande till helium-4 i vissa plymer, uppströmningarna från jordens djupa mantel. Urreservoarer i den djupa jorden, provtas av ett litet antal vulkaniska hotspots globalt, har denna gamla He-3/4-signatur.

Inspirerad av en tidning från 2012 som föreslog en korrelation mellan sådana hotspots och hastigheten för seismiska vågor som rör sig genom jordens inre, UC Santa Barbara geokemist Matthew Jackson samarbetade med författarna till den ursprungliga uppsatsen – Thorsten Becker från University of Texas i Austin och Jasper Konter från University of Hawaii – för att visa att endast de hetaste hotspotsna med den långsammaste våghastigheten drar från den primitiva reservoaren bildades tidigt i planetens historia. Deras resultat visas i tidskriften Natur .

"Vi använde seismologin för den grunda manteln - hastigheten med vilken seismiska vågor färdas genom jorden under dess skorpa - för att dra slutsatser om den djupare manteln, sa Jackson, en biträdande professor vid UCSB:s institution för geovetenskap. "Vid 200 km, den grunda manteln har den största variationen av seismiska hastigheter – mer än 6 procent, vilket är mycket. Vad mer, den variationen, som vi antar är relaterad till temperatur, korrelerar med He-3."

För sina studier, forskarna använde de senaste seismiska modellerna av jordens hastighetsstruktur och 35 års heliumdata. När de jämförde oceaniska hotspots med höga nivåer av He-3/4 med seismiska våghastigheter, de fann att dessa representerar de hetaste hotspots, med seismiska vågor som rör sig långsammare än de gör i kallare områden. De analyserade också flytflux för hotspot, som kan användas för att mäta hur mycket smälta en viss hotspot producerar. På Hawaii, Galapagosöarna, Samoa och Påskön samt på Island, hotspots hade höga flytkraftsnivåer, bekräftar en grundläggande fysikregel:ju hetare, ju mer flytande.

"Vi fann att ju högre hotspot flytkraftsflöde, ju mer smälta en hotspot producerade och desto mer sannolikt var den att ha hög He-3/4, ", sa Jackson. "Varmare plymer har inte bara långsammare seismisk hastighet och ett högre flytkraftsflöde för hotspot, de är också de med högsta He-3/4. Allt detta hänger ihop fint och är första gången som He-3/4 har korrelerats med grunda mantelhastigheter och hotspot-flytkraft globalt."

Becker noterade att korrelation inte innebär kausalitet, "men det är ganska snyggt att vi hittade två starka samband, som båda pekar på samma fysiskt rimliga mekanism:de ursprungliga sakerna plockas företrädesvis upp av de mest flytande termokemiska uppströmningarna."

Författarna ville också veta varför bara de hetaste, de flesta flytande plymer prover hög He-3/4.

"Förklaringen som vi kom fram till - som människor som gör numeriska simuleringar har föreslagit under lång tid - är att vad denna reservoar än är med primitivt helium, det måste vara riktigt tätt så att bara de hetaste, de flesta flytande plymer kan dra en del av det till ytan, ", sa Jackson. "Det är vettigt och det förklarar också hur något så uråldrigt kunde överleva i den kaotiskt konvekerande manteln i 4,5 miljarder år. Täthetskontrasten gör det mer troligt att den gamla heliumreservoaren bevaras snarare än att blandas bort."

"Eftersom denna korrelation mellan geokemi och seismologi nu gäller från heliumisotoper i detta arbete till kompositionerna vi undersökte 2012, det verkar som om de övergripande geokemiska variationerna i hotspot kommer att behöva omprövas ur ett flytkraftsperspektiv, " avslutade Konter.