Var och en av de små stenarna i detta cirkulära fäste är ungefär hälften av ett syntetiskt mantelprov -- efter att det har värmts upp och krossats i kolv-cylinderapparaten, skär sedan upp och polerade. Sarafian lägger sina prover i detta fäste för att analysera dem för deras vatteninnehåll med hjälp av sekundär jonmasspektrometri (SIMS). Upphovsman:Foto av Jayne Doucette, Woods Hole oceanografiska institution
Temperaturen i jordens inre påverkar allt från rörelsen av tektoniska plattor till planetens bildning.
En ny studie ledd av Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) föreslår manteln - den mestadels solida, stenig del av jordens inre som ligger mellan dess överhettade kärna och dess yttre skorpskikt-kan vara hetare än man tidigare trott. Det nya fyndet, publicerad 3 mars i tidskriften Vetenskap , kan förändra hur forskare tänker på många frågor inom geovetenskap, inklusive hur havsbassänger bildas.
"Vid åsar i mitten av havet, de tektoniska plattorna som bildar havsbotten sprids gradvis isär, " sa studiens huvudförfattare Emily Sarafian, en doktorand i det gemensamma programmet MIT-WHOI. "Sten från den övre manteln stiger sakta för att fylla tomrummet mellan plattorna, smälter när trycket minskar, kyls sedan och stelnar igen för att bilda ny skorpa längs havsbotten. Vi ville kunna modellera denna process, så vi behövde veta temperaturen vid vilken stigande mantelberg börjar smälta. "
Men att bestämma den temperaturen är inte lätt. Eftersom det inte är möjligt att mäta mantelns temperatur direkt, geologer måste uppskatta det genom laboratorieexperiment som simulerar de höga trycken och temperaturerna inuti jorden.
Vatten är en kritisk komponent i ekvationen:ju mer vatten (eller väte) i berget, desto lägre temperatur kommer den att smälta vid. Peridotitstenen som utgör den övre manteln är känd för att innehålla en liten mängd vatten. "Men vi vet inte specifikt hur tillsatsen av vatten ändrar denna smältpunkt, "sa Sarafians rådgivare, WHOI-geokemisten Glenn Gaetani. "Så det finns fortfarande mycket osäkerhet."
Bild på ett av teamets laboratoriemimikexperiment, som genomfördes i en kapsel gjord av guld-palladiumlegering. De svarta rutorna markerar var olivinkornen finns, och de mörka groparna i olivinerna är faktiska mätningar för vattenhalten i olivinen. Peridotiten är den superfinkorniga matrisen. Upphovsman:Emily Sarafian.
För att ta reda på hur vattenhalten i mantelberget påverkar dess smältpunkt, Sarafian genomförde en rad laboratorieexperiment med hjälp av en kolvcylinderapparat, en maskin som använder elektrisk ström, tungmetallplattor, och staplar med kolvar för att förstärka kraften för att återskapa de höga temperaturer och tryck som finns djupt inne i jorden. Enligt standard experimentell metodik, Sarafian skapade ett syntetiskt mantelprov. Hon använde en känd, standardiserade mineralsammansättningen och torkade ut den i en ugn för att få bort så mycket vatten som möjligt.
Tills nu, i experiment som dessa, forskare som studerar bergens sammansättning har tvingats anta att deras utgångsmaterial var helt torrt, eftersom mineralkornen de arbetar med är för små för att analysera för vatten. Efter att ha kört sina experiment, de korrigerar sin experimentellt bestämda smältpunkt för att ta hänsyn till mängden vatten som man vet finns i mantelberget.
"Problemet är, utgångsmaterialen är pulver, och de adsorberar atmosfäriskt vatten, " sa Sarafian. "Så, oavsett om du tillsatte vatten eller inte, det finns vatten i ditt experiment."
Sarafian tog en annan inställning. Hon modifierade sitt startprov genom att lägga till sfärer av ett mineral som heter olivin, som förekommer naturligt i manteln. Sfärerna var fortfarande små - cirka 300 mikrometer i diameter, eller storleken på fina sandkorn - men de var tillräckligt stora för att Sarafian skulle kunna analysera sitt vatteninnehåll med hjälp av sekundär jonmasspektrometri (SIMS). Därifrån, hon kunde beräkna vattenhalten i hela sitt startprov. Till hennes förvåning, hon fann att den innehöll ungefär samma mängd vatten som man vet var i manteln.
Baserat på hennes resultat, Sarafian drog slutsatsen att mantelsmältningen måste börja på ett grundare djup under havsbotten än vad som tidigare förväntats.
I sina laboratorieexperiment, Sarafian använde en kolv-cylinder-apparat - den röda maskinen bakom henne - för att simulera det höga trycket och temperaturen på jordens mantel. De tunga rostfria plattorna som syns på bordet är staplade på apparaten, med det lilla syntetiska mantelprovet inuti ett "tryckkärl" under dem. När maskinen har slagits på, kolvar applicerar massivt tryck ovanifrån och under provet, som samtidigt värms upp med elektrisk ström. Upphovsman:Foto av Veronique LaCapra, Woods Hole oceanografiska institution
För att verifiera hennes resultat, Sarafian vände magnetotellurik - en teknik som analyserar den elektriska ledningsförmågan hos skorpan och manteln under havsbotten. Smält berg leder elektricitet mycket mer än fast berg, och använda magnetotelluriska data, geofysiker kan ta fram en bild som visar var smältning sker i manteln.
Men en magnetotellurisk analys publicerad i Natur 2013 visade forskare vid Scripps Institution of Oceanography i San Diego att mantelstenen smälter på ett djupare djup under havsbotten än vad Sarafians experimentella data hade föreslagit.
I början, Sarafians experimentella resultat och de magnetotelluriska observationerna verkade stå i konflikt, men hon visste att båda måste ha rätt. Att förena temperaturer och tryck Sarafian mätt i sina experiment med smältdjupet från Scripps -studien ledde henne till en häpnadsväckande slutsats:Den oceaniska övre manteln måste vara 60 ° C (~ 110 ° F) varmare än nuvarande uppskattningar, sa Sarafian.
En 60-graders ökning kanske inte låter så mycket jämfört med en smält manteltemperatur på mer än 1, 400°C. Men Sarafian och Gaetani säger att resultatet är betydande. Till exempel, en varmare mantel skulle vara mer flytande, hjälper till att förklara rörelsen hos styva tektoniska plattor.
