Ny forskning från Brown University geokemister ger nya insikter om i vilken skala jordens mantel varierar i kemisk sammansättning. Resultaten kan hjälpa forskare att bättre förstå blandningsprocessen för mantelkonvektion, den långsamma vagnen som driver rörelsen på jordens tektoniska plattor.

"Vi vet att manteln är heterogen i sammansättning, men det har varit svårt att räkna ut hur stora eller små dessa heterogeniteter kan vara, "sa Boda Liu, en doktorsexamen student i geologi vid Brown. "Det vi visar här är att det måste finnas heterogeniteter på minst en kilometer i storlek för att producera den kemiska signaturen vi observerar i bergarter som härrör från mantelmaterial."

Forskningen, som Liu författade tillsammans med Yan Liang, professor i Brown's Department of Earth Environmental and Planetary Sciences, publiceras i Vetenskapliga framsteg .

Jordskorpan befinner sig på ett löpande transportband som drivs av den konvekterande manteln. Vid åsar i mitten av havet, gränserna på havsbotten där tektoniska plattor drar ifrån varandra, ny skorpa skapas genom utbrott av magmas som bildas genom att mantelmaterialet stiger från djupet. Vid subduktionszoner, där en tektonisk platta glider under en annan, gammalt skorpmaterial, vittrade av processer på ytan, trycks tillbaka ner i manteln. Denna återvinning kan skapa mantelmaterial av olika eller "berikade" kompositioner, som geokemister kallar "heterogeniteter". Vad som händer med det berikade materialet när det återvinns är inte helt förstått.

"Detta är en av de stora frågorna inom jordvetenskap, "Sade Liang." I vilken utsträckning blandar och homogeniserar mantelkonvektion dessa heterogeniteter? Eller hur kan dessa heterogeniteter bevaras? "

Forskare lär sig om mantelns sammansättning genom att studera basalter i midhavet (MORB), stenar som bildats genom stelning av magmas utbröt på havsbotten. Som fingeravtryck, isotopkompositioner av MORB kan användas för att spåra mantelkällan från vilken de härrörde.

En annan typ av havsbottensten som kallas abyssal peridotites är den kvarvarande manteln efter bildandet av MORB. Det här är bitar av mantelberg som en gång var den översta manteln och senare höjdes till havsbotten. Abyssal peridotiter har en annan isotopsammansättning än MORB som verkar komma från samma mantelregion. För att förklara den skillnaden i isotopkompositioner, forskare har kommit fram till att MORB:n fångar isotopsignalen från fickor av berikat material - resterna av subdukterad skorpa som finns bevarade i manteln.

Frågan denna nya studie försökte svara på är hur stora de berikade fickorna skulle behöva vara för att deras isotopsignatur ska överleva resan till ytan. När magma stiger mot ytan, den interagerar med den omgivande manteln, vilket tenderar att dämpa signalen från anrikat material i smältan. För deras studier, Liu och Liang modellerade smält- och magmatransportprocesser. De fann att för att producera de olika isotopsignalerna mellan MORB och avgrundsperidotiter, fickorna av berikat material på djupet måste vara minst en kilometer stora.

"Om heterogenitetens längdskala är för liten, det kemiska utbytet under magmaflödet skulle utplåna heterogeniteterna, "Sa Liang." Så för att få fram kompositionsskillnaden ser vi, vår modell visar att heterogeniteten måste vara en kilometer eller mer. "

Forskarna hoppas att deras studie kommer att tillföra ett nytt perspektiv till finskalestrukturen hos manteln som produceras av mantelkonvektion.

"Vårt bidrag här är att ge en känsla av hur stora några av dessa heterogeniteter kan vara, "Sa Liang." Så frågan till det bredare samhället blir:Vad kan vara de djupa mantelprocesserna som kan producera detta? "