Ett team ledd av geovetare från Arizona State University och Michigan State University har använt datormodellering för att förklara hur fickor av grötig sten samlas vid gränsen mellan jordens kärna och mantel.

Dessa fickor, ligger ungefär 2, 900 kilometer (1, 800 miles) under ytan, har varit kända i många år, men saknade tidigare en förklaring om hur de bildades.

De relativt små bergkropparna kallas "zoner med ultralåg hastighet" eftersom seismiska vågor saktar ner kraftigt när de passerar genom dem. Geoforskare har trott att zonerna är delvis smälta, ändå är fickorna förbryllande eftersom många observeras i kallare områden av den djupa manteln.

"Dessa små regioner har antagits vara en delvis smält version av stenen som omger dem, " säger Mingming Li, huvudförfattare till studien, som publicerades den 2 augusti, 2017, i tidningen Naturkommunikation . "Men deras globala utbredning och stora variationer i densitet, form, och storleken tyder på att de har en annan sammansättning än manteln."

Li gick med i ASU:s School of Earth and Space Exploration (SESE) denna månad som biträdande professor. Han var doktorand hos tidigare SESE-docent Allen McNamara, också en medförfattare på papperet; McNamara är nu vid Michigan State Department of Earth and Environmental Sciences. De ytterligare medförfattarna är SESE-professorn Edward Garnero och hans doktorand Shule Yu.

"Vi vet inte vad zoner med ultralåg hastighet är, " säger McNamara. "De är antingen heta, delvis smälta delar av annars normal mantel, eller så är de något helt annat, någon annan komposition."

Eftersom seismiska bevis tillåter båda möjligheterna, han säger, "Vi bestämde oss för att modellera mantelkonvektion med dator för att undersöka om deras former och positioner kan svara på frågan."

Har fickor att göra med blobbar?

För ungefär år sedan, Garnero, McNamara, och SESE docent Dan Shim rapporterade att två gigantiska strukturer av sten djupt inne i jorden sannolikt är gjorda av något annat än resten av manteln. De kallade de stora strukturerna "termokemiska pålar, "eller enklare, blobbar.

"Medan ursprunget och sammansättningen av dessa blobbar är okända, Garnero sa då, "vi misstänker att de har viktiga ledtrådar om hur jorden bildades och hur den fungerar idag."

Vad de stora klumparna är gjorda av och hur de bildades är fortfarande okänt, säger Garnero. "Men den nya datormodelleringen förklarar hur dessa zoner med ultralåg hastighet är förknippade med de mycket större klumparna."

Li säger, "Zonerna med ultralåg hastighet är i allmänhet runt tiotals kilometer höga, och hundratals kilometer breda eller mindre. De är mestadels belägna nära kanterna på de mycket större klumparna, men några av dem upptäcks både inuti klumparna och långt borta från dem."

Resultatet av datormodelleringen visade att de flesta av dessa zoner med ultralåg hastighet skiljer sig i sammansättning från den omgivande manteln, säger Li. Vad mer, modelleringen visade att fickor av berg med olika sammansättning kommer att migrera från var som helst på gränsen mellan kärnan och manteln mot kanterna på de stora klumparna.

"Kanterna på de termokemiska pålarna är där mantelflödesmönster konvergerar, " McNamara säger, "och därför tillhandahåller dessa områden en 'uppsamlingsdepå' för tätare bergarter."

Samlas av värme

Kraften som driver denna rörelse är värme, som driver konvektion i manteln.

Jordens mantel är gjord av het sten, men det beter sig mer som fudge som sjuder långsamt på en spis. I manteln, värme kommer både från radioaktivitet i mantelberget och från planetens kärna, vars centrum är ungefär lika varmt som solens yta. Mantelstenen svarar på denna hetta med en långsam, konvektiv rörelse.

"Detaljerna är inte helt klara, " säger Li. Men modelleringen visar att stenar av olika sammansättning reagerar på konvektionen på ett sätt som samlar sammansättningsliknande material tillsammans. Detta flyttar de små fickorna av kemiskt distinkta stenar till kanterna på de hetare klumparna ovanför gränsen mellan kärnan och manteln.

"Vi körde 3D högupplöst datormodellering och vi utvecklade en metod för att spåra rörelsen av både de små fickorna i zoner med ultralåg hastighet och de mycket större termokemiska högarna." Li förklarar, "Detta gjorde det möjligt för oss att studera hur de små fickorna rör sig och hur deras lägen kan relateras till deras ursprung."

McNamara säger, "Det som var nytt med vårt tillvägagångssätt - och även beräkningsmässigt utmanande - var att modelleringen samtidigt tog hänsyn till mycket olika rörelseskalor." Dessa sträckte sig från globala konvektionsmönster i mantelskala, till de stora termokemiska högarna i den nedre manteln, och ner till de mycket småskaliga fickorna i zonen med ultralåg hastighet i botten.

"Vad vi till slut fann, " han säger, "är att om zoner med ultralåg hastighet orsakas av smältning av annars normal mantel, de bör placeras väl inuti de termokemiska pålarna, där manteltemperaturerna är som varmast."

Men han tillägger, "Om bergets fickor med ultralåg hastighet har en annan sammansättning än den vanliga mantelbergarten, sedan skulle mantelkonvektion ständigt föra dem till kanterna av pålar där de samlas.

"Detta överensstämmer med vad vi ser i de seismiska observationerna."

Stenar som dyker djupt?

Var kommer de olika materialen i den djupa manteln ifrån i första hand?

"Det finns flera möjligheter, ", säger Garnero. "Något material kan vara associerat med tidigare basaltisk oceanisk skorpa som har subducerats djupt. Eller det kan vara förknippat med kemiska reaktioner mellan den yttre kärnans järnrika vätska och den kristallina silikatmanteln."

Garnero säger att var stenen i zoner med ultralåga hastigheter ursprungligen kom ifrån är för närvarande olöst. Men processen att samla detta material i små fickor av sten är tydlig.

"Du kan ha olika mekanismer, som plattektonik, som trycker in stenar med olika kemi i den djupaste manteln någonstans på jorden, " han säger.

"Men när dessa olika stenar har gått ner djupt, konvektion vinner och sveper dem till de heta områdena, nämligen, där de termokemiska högarna i kontinental storlek ligger."