När skivor av jordskorpan faller ner i manteln, de möter en zon ca 1, 100 kilometer ner där mantelklippan plötsligt blir stelare, flyter mindre lätt. Liknande, stigande plymer av smält sten möter samma lager och har svårt att slå igenom underifrån. Kredit:Dan Shim
I årtionden, forskare har studerat jordens inre med hjälp av seismiska vågor från jordbävningar. Nu en ny studie, leds av Arizona State Universitys School of Earth and Space Exploration Docent Dan Shim, har återskapat i laboratoriet de förhållanden som finns djupt i jorden, och använde detta för att upptäcka en viktig egenskap hos det dominerande mineralet i jordens mantel, en region som ligger långt under våra fötter.
Shim och hans forskargrupp kombinerade röntgentekniker i synkrotronstrålningsanläggningen vid U.S. Department of Energy's National Labs och atomupplösningselektronmikroskopi vid ASU för att fastställa vad som orsakar ovanliga flödesmönster i stenar som ligger 600 miles och mer djupt inne i jorden. Deras resultat har publicerats i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Långsamt flöde, ner djupt
Planeten Jorden är byggd av lager. Dessa inkluderar skorpan vid ytan, manteln och kärnan. Värme från kärnan driver en långsam kärnande rörelse av mantelns fasta silikatstenar, som långsamt kokande fudge på en spisbrännare. Denna transportbandsrörelse gör att jordskorpans tektoniska plattor vid ytan stöter mot varandra, en process som har fortsatt under minst hälften av jordens 4,5 miljarder år långa historia.
Shims team fokuserade på en förbryllande del av den här cykeln:Varför saktar det slingrande mönstret plötsligt ner på djup på cirka 600 till 900 miles under ytan?
"Nya geofysiska studier har föreslagit att mönstret förändras eftersom mantelstenarna flyter mindre lätt på det djupet, "Shim sa. "Men varför? Förändras bergets sammansättning där? Eller blir stenar plötsligt mer trögflytande på det djupet och trycket? Ingen vet."
För att undersöka frågan i labbet, Shims team studerade bridgemanit, ett järnhaltigt mineral som tidigare arbete har visat är den dominerande komponenten i manteln.
För att utsätta bridgmanitprovet för höga tryck, den hålls mellan två städ gjorda av diamant av ädelstenskvalitet. Kredit:Dan Shim
"Vi upptäckte att förändringar inträffar i bridgmanit vid det tryck som förväntas för 1, 000 till 1, 500 km djup, "Shim sa. "Dessa förändringar kan orsaka en ökning av bridgmanitens viskositet - dess motstånd mot flöde."
Teamet syntetiserade prover av bridgmanit i laboratoriet och utsatte dem för de högtrycksförhållanden som finns på olika djup i manteln.
Mineralnyckel till manteln
Experimenten visade teamet att, över ett djup av 1, 000 kilometer och under ett djup av 1, 700 km, bridgmanit innehåller nästan lika mängder oxiderade och reducerade former av järn. Men vid tryck mellan dessa två djup, Bridgmanit genomgår kemiska förändringar som i slutändan sänker koncentrationen av järn som den innehåller avsevärt.
Processen börjar med att driva ut oxiderat järn ur bridgmaniten. Det oxiderade järnet förbrukar sedan de små mängderna metalliskt järn som sprids genom manteln som vallmofrön i en kaka. Denna reaktion tar bort det metalliska järnet och resulterar i att det bildas mer reducerat järn i det kritiska skiktet.
Vart tar det reducerade järnet vägen? Svaret, sa Shims team, är att det går in i ett annat mineral som finns i manteln, ferroperiklas, som är kemiskt benägna att absorbera reducerat järn.
"Därför hamnar bridgemaniten i det djupa lagret med mindre järn, " förklarade Shim, noterar att detta är nyckeln till varför det här lagret beter sig som det gör.
"När den tappar järn, bridgemanit blir mer trögflytande, " sa Shim. "Detta kan förklara de seismiska observationerna av långsammare mantelflöde på det djupet."
