Plattektoniken har format jordens yta i miljarder år:kontinenter och oceanisk skorpa har tryckt och dragit på varandra, ständigt omarrangera planetens fasad. När två massiva plattor kolliderar, man kan ge vika och glida under den andra i en process som kallas subduktion. Den subducerade plattan glider sedan ner genom jordens trögflytande mantel, som en platt sten genom en pöl av honung.

För det mesta, dagens subducerande plattor kan bara sjunka så långt, till cirka 670 kilometer under ytan, innan mantelns makeup förvandlas från en honungsliknande konsistens, till pastan - för tät för att de flesta plattor ska kunna penetrera längre. Forskare har misstänkt att detta täthetsfilter funnits i manteln under större delen av jordens historia.

Nu, dock, geologer vid MIT har funnit att denna densitetsgräns var mycket mindre uttalad i den gamla jordens mantel, 3 miljarder år sedan. I en tidning publicerad i Earth and Planetary Science Letters , forskarna noterar att den antika jorden hyste en mantel som var så mycket som 200 grader Celsius varmare än den är idag - temperaturer som kan ha blivit mer enhetliga, mindre tätt material genom hela mantelskiktet.

Forskarna fann också att jämfört med dagens steniga material, den antika skorpan bestod av mycket tätare saker, berikad med järn och magnesium. Kombinationen av en varmare mantel och tätare stenar fick troligen subduktionsplattor att sjunka hela vägen till botten av manteln, 2, 800 kilometer under ytan, bildar en "kyrkogård" av plattor ovanpå jordens kärna.

Deras resultat målar upp en helt annan bild av subduktion än vad som sker idag, och antyder att jordens forntida mantel var mycket effektivare för att dra ner bitar av planetens skorpa.

"Vi finner att för cirka 3 miljarder år sedan, subducerade plattor skulle ha förblivit tätare än den omgivande manteln, även i övergångszonen, och det finns ingen anledning ur flytsynpunkt till varför plattor ska fastna där. Istället, de ska alltid sjunka igenom, vilket är ett mycket mindre vanligt fall idag, "säger huvudförfattaren Benjamin Klein, en doktorand vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap (EAPS). "Detta verkar tyda på att det har skett en stor förändring tillbaka i jordens historia när det gäller hur mantelkonvektion och plattektoniska processer skulle ha hänt."

Kleins medförfattare är Oliver Jagoutz, docent i EAPS, och Mark Behn från Woods Hole Oceanographic Institution.

Temperaturskillnad

"Det finns en öppen fråga om när plattektoniken verkligen började i jordens historia, " säger Klein. "Det råder allmän enighet om att det förmodligen pågick för minst 3 miljarder år sedan. Det är också när de flesta modeller tyder på att jorden var som varmast. "

För cirka 3 miljarder år sedan, manteln var troligen ca 150-200 C varmare än den är idag. Klein, Jagoutz, och Behn undersökte om varmare temperaturer i jordens inre gjorde skillnad i hur tektoniska plattor, en gång subducerad, transporterades genom manteln.

"Vårt arbete började som detta tankeexperiment för att säga, om vi vet att temperaturen var mycket varmare, hur kan det ha modulerat hur tektoniken såg ut, utan att ändra det i grossistledet?", säger Klein. "Eftersom debatten innan var detta binära argument:Antingen fanns det plattektonik, eller så fanns det inte, och vi föreslår att det finns mer utrymme däremellan."

En "density flip"

Teamet genomförde sin analys, gör antagandet att plattektoniken verkligen formade jordens yta för 3 miljarder år sedan. De försökte jämföra densiteten av subduktionsplattor vid den tiden med densiteten hos den omgivande manteln, vars skillnad skulle avgöra hur långt plattorna skulle ha sjunkit.

För att uppskatta densiteten hos gamla plattor, Klein sammanställde en stor datamängd med mer än 1, 400 tidigare analyserade prover av både moderna bergarter och komatiiter – klassiska bergarter som fanns för cirka 3 miljarder år sedan men som inte längre produceras idag. Dessa stenar innehåller en högre mängd tätt järn och magnesium jämfört med dagens oceaniska skorpa. Klein använde sammansättningen av varje stenprov för att beräkna densiteten hos en typisk subducerande platta, för både nutiden och för 3 miljarder år sedan.

Han uppskattade sedan medeltemperaturen för en modern kontra en uråldrig subduktionsplatta, i förhållande till temperaturen på den omgivande manteln. Han resonerade att avståndet en platta sjunker beror inte bara på dess densitet utan också på dess temperatur i förhållande till manteln:Ju kallare ett föremål är i förhållande till omgivningen, desto snabbare och längre ska det sjunka.

Teamet använde en termodynamisk modell för att bestämma densitetsprofilen för varje subdukterande platta, eller hur dess densitet förändras när den sjunker genom manteln, med tanke på mantelns temperatur, som de tog från andras uppskattningar och en modell av plattans temperatur. Från dessa beräkningar, de bestämde vid vilket djup varje platta skulle bli mindre tät än den omgivande manteln.

Vid denna tidpunkt, de antog att en "density flip" skulle inträffa, så att en platta inte ska kunna sjunka förbi denna gräns.

"Det verkar finnas detta kritiska filter och kontroll på plattornas rörelse och därför konvektion av manteln, "Säger Klein.

En sista viloplats

Teamet fann att deras uppskattningar för var denna gräns går i den moderna manteln - cirka 670 kilometer under ytan - stämde överens med faktiska mätningar som tagits av denna övergångszon idag, bekräftar att deras metod också kan uppskatta den forntida jorden korrekt.

"I dag, när plattor kommer in i manteln, de är tätare än den omgivande manteln i den övre och nedre manteln, men i denna övergångszon, tätheterna vänder, " säger Klein. "Så inom det här lilla lagret, plattorna är mindre täta än manteln, och är glada att stanna där, nästan flytande och stillastående."

För den antika jorden, 3 miljarder år sedan, forskarna fann att eftersom den gamla manteln var så mycket varmare än idag, och plattorna mycket tätare, en täthetsvändning skulle inte ha inträffat. Istället, subducerande plattor skulle ha sjunkit rakt till botten av manteln, etablera sin sista viloplats precis ovanför jordens kärna.

Jagoutz säger att resultaten tyder på att någon gång mellan 3 miljarder år sedan och idag, när jordens inre svalnade, manteln bytte från ett enlagers konvektionssystem, där plattor flödade fritt från övre till nedre lager av manteln, till en tvåskiktskonfiguration, där plattor hade svårare att tränga igenom till den nedre manteln.

"Detta visar att när en planet börjar svalna, denna gräns, även om det alltid finns där, blir ett betydligt djupare densitetsfilter, Jagoutz säger. "Vi vet inte vad som kommer att hända i framtiden, men i teorin, det är möjligt att jorden går från en dominerande regim av ettskiktskonvektion, till två. Och det är en del av hela jordens utveckling."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.