Geofysiker vid Earth-Life Science Institute (ELSI) vid Tokyo Institute of Technology rapporterar i Naturgeovetenskap en ny modell för förekomsten av ett transportband för djup mantel som kan ha fungerat inne i jorden sedan det bildades för cirka 4,5 miljarder år sedan.

De flesta jordbävningar, vulkaner, bergsbyggnad, havsbotten sprider sig, och andra stora geologiska aktiviteter på jorden drivs av så kallad platttektonik, där stora delar av jordskorpan rör sig som sammanhängande block - eller plattor - som kraschar tillsammans, dra isär, glida ovanpå varandra, och passerar varandra vid sina gränser. Under plattorna ligger den 3000 km tjocka steniga manteln, består av het böjlig sten som långsamt deformeras och kullar under det enorma trycket och temperaturen i den djupa inredningen. Denna vridrörelse, eller mantelkonvektion, verkar för att avlägsna värme från jordens inre, liknande cirkulationen i en långsamt kokande gryta med gryta. Mantelkonvektion driver slutligen rörelsen av tektoniska plattor. I tur och ordning, tallrikarna rör också om manteln, där de subduceras på grund av att de glider ovanpå varandra, och sjunka genom manteln till stora djup.

Forskare har länge undrat om jordens mantel är väl blandat av denna omrörning och de konvektiva rörelserna (mantelkonvektion), eller om den nedre delen av manteln har en annan sammansättning än den övre delen. Att vissa plattor är subdukerade till själva mantelns bas, färdas 3000 km på cirka 200 miljoner år, har traditionellt tagits som bevis för en väl omrörd och blandad mantelgryta.

Den dåligt blandade jordens mantelgryta

I denna forskning, forskarna tog ett nytt tillvägagångssätt genom att överväga om den kemiska sammansättningen av mantelstenar påverkar den konvektiva rörelsen. Vissa stenar deformeras och flyter lättare än andra, beter sig som vatten i motsats till vätskor med hög viskositet som honung. Till exempel, hälla vatten i en gryta gryta resulterar i att vattnet blandas med grytan även utan mycket omrörning. Naturligtvis, det skulle ta mycket mer tid för honung att blanda med gryta. I synnerhet, om dumplings läggs i gryta, då blandas aldrig båda komponenterna. Även om dumplings i allmänhet är deformerbara; den kokande grytan bara flyter runt dumplingsna eftersom den är mycket mer deformerbar, eller mindre viskös, än dumplings.

Nu, i jorden, lägre mantelstenar beter sig mer som gryta än dumplings (eller mer som vatten än honung) beroende på deras kemiska sammansättning. Om bergarter i den nedre manteln är relativt berikade med kiseldioxid (eller SiO2, som också är huvudkomponenten i sand), de är mer viskösa och beter sig mer som dumplings jämfört med kiseldioxidutarmade stenar, som är svagare och beter sig mer som grytan själv. Detta är spännande eftersom många meteoriter som anses vara jordens byggstenar har en högre kiseldioxidhalt än stenar i den övre delen av jordens mantel. För att kompensera balansen för kiseldioxidutarmning i de flesta mantelberg som har undersökts, åtminstone några stenar i den nedre manteln borde vara relativt kiseldioxidrika. Så, jordens mantel kan vara lite som en välblandad, kiseldämpad gryta med några dåligt blandade kiseldioxidrika dumplings nära basen.

För att studera mantelgrytans vridrörelse, Maxim Ballmer och hans kollegor på ELSI lade till ett starkt kiseldioxidrikt lager i numeriska simuleringar av mantelkonvektion. De fann att efter en stor vältning av den ursprungligen pålagda skiktningen, manteln organiserades i stora rullliknande konvektionsceller, där svaga kiseldämpade stenar fyller den övre manteln och cirkulerar runt starka kiseldioxidrika block i den nedre manteln längs ett jätte transportband (fig 1).

Jätteblock av gamla stenar gömda under Afrika och Stilla havet?

I simuleringarna, detta mönster av konvektion av konvertering förblev stabilt i många miljarder år, och längre än jordens ålder. De starka kiseldioxidrika blocken i den nedre manteln är förmodligen mer än 1000 km i diameter och 10, 000 km lång, utgör cirka 15% av mantelns massa. Ballmer och hans kollegor tror att de är gömda långt under Afrika och Stilla havet, formad som gigantiska korv eller munkar.

Förekomsten av sådana starka domäner kan förklara varför några av de subdukterade plattorna inte sjunker mot mantelns bas, utan snarare damm på mellanliggande djup, där de stöter på de starka korvarna eller munkarna. Den långsiktiga stabiliteten hos dessa domäner kan ytterligare redogöra för den geokemiska mångfalden av djupt framtagna lavor på jordens yta. Medan vissa lavar är relaterade till smältning av mantelstenar som har återvunnits från nära ytskorpan och cirkulerat genom manteln, andra spårar bevis på gamla domäner som har undvikit cirkulation och återvinning sedan de tidigaste dagarna på vår planet.

Överlevnaden av gamla stenar i den övertagande manteln har varit ett långvarigt pussel för många forskare, men kan nu lösas som en följd av ineffektiv blandning mellan starka kiseldioxidberikade bergarter och den mycket svagare kiseldioxidutarmade manteln.