Ett fältarbetesfoto från ön Réunion visar flanken av Cirque de Cilaos, tittar ut mot Indiska oceanen. Kredit:Bradley Peters.
Plymer av het magma från den vulkaniska hotspot som bildade Réunion Island i Indiska oceanen stiger upp från en ovanligt primitiv källa djupt under jordens yta, enligt nytt arbete i Natur från Carnegies Bradley Peters, Richard Carlson, och Mary Horan tillsammans med James Day från Scripps Institution of Oceanography.
Réunion markerar den nuvarande platsen för den hotspot som för 66 miljoner år sedan bröt ut Deccan Traps-flodbasalterna, som täcker större delen av Indien och kan ha bidragit till dinosauriernas utrotning. Översvämning basalter och andra hotspot lavas antas härröra från olika delar av jordens djupa inre än de flesta vulkaner på jordens yta och att studera detta material kan hjälpa forskare att förstå vår hemplanets utveckling.
Värmen från jordens bildningsprocess orsakade omfattande smältning av planeten, vilket ledde till att jorden separerades i två lager när den tätare järnmetallen sjönk inåt mot mitten, skapa kärnan och lämna den silikatrika manteln flytande ovanför.
Under de efterföljande 4,5 miljarder åren av jordens evolution, djupa delar av manteln skulle stiga uppåt, smälta, och sedan separera igen med densitet, skapa jordskorpan och förändra den kemiska sammansättningen av jordens inre i processen. När skorpan sjunker tillbaka in i jordens inre – ett fenomen som förekommer idag längs Stilla havets gräns – arbetar slow motion av jordens mantel för att röra om dessa material, tillsammans med deras distinkta kemi, tillbaka till den djupa jorden.
Soluppgång över toppen av Piton des Neiges, den slocknade vulkanen på ön Réunion i Indiska oceanen. Kredit:Bradley Peters
Men inte hela manteln är så välblandad som denna process skulle indikera. Vissa äldre plåster finns fortfarande - som pulverformiga fickor i en dåligt blandad skål med kaksmet. Analys av den kemiska sammansättningen av vulkaniska bergarter på ön Réunion tyder på att deras källmaterial skiljer sig från andra, bättre blandade delar av den moderna manteln.
Med hjälp av nya isotopdata, forskargruppen avslöjade att Réunion lavas härstammar från områden av manteln som var isolerade från den bredare, väl blandad mantel. Dessa isolerade fickor bildades inom de första tio procenten av jordens historia.
Isotoper är element som har samma antal protoner, men ett annat antal neutroner. Ibland, antalet neutroner som finns i kärnan gör en isotop instabil; för att få stabilitet, isotopen kommer att frigöra energiska partiklar i processen med radioaktivt sönderfall. Denna process ändrar dess antal protoner och neutroner och omvandlar det till ett annat element. Denna nya studie utnyttjar denna process för att ge ett fingeravtryck för åldern och historien för distinkta mantelfickor.
Samarium-146 är en sådan instabil, eller radioaktivt, isotop med en halveringstid på endast 103 miljoner år. Det förfaller till isotopen neodym-142. Även om samarium-146 var närvarande när jorden bildades, den dog ut mycket tidigt i jordens barndom, vilket betyder att neodym-142 ger en bra redogörelse för jordens tidigaste historia, men inga uppgifter om jorden från perioden efter att samarium-146 förvandlades till neodym-142. Skillnader i förekomsten av neodym-142 jämfört med andra isotoper av neodym kan bara ha genererats av förändringar i den kemiska sammansättningen av manteln som inträffade under de första 500 miljoner åren av jordens 4,5 miljarder år långa historia.
Tittar ner i en vulkankrater i Piton de la Fournaise på ön Réunion med vilande vulkankottar i bakgrunden. Kredit:Bradley Peters.
Förhållandet mellan neodym-142 och neodym-144 i vulkaniska bergarter i Réunion, tillsammans med resultaten av labbbaserade mimik- och modelleringsstudier, indikerar att trots miljarder år av mantelblandning, Réunion plume magma kommer sannolikt från en bevarad ficka i manteln som upplevde en kompositionsförändring orsakad av storskalig smältning av jordens tidigaste mantel.
Teamets fynd kan också hjälpa till att förklara ursprunget till täta regioner precis vid gränsen för kärnan och manteln som kallas stora lågskjuvhastighetsprovinser (LLSVP) och ultralåghastighetszoner (ULVZs), reflecting the unusually slow speed of seismic waves as they travel through these regions of the deep mantle. Such regions may be relics of early melting events.
"The mantle differentiation event preserved in these hotspot plumes can both teach us about early Earth geochemical processes and explain the mysterious seismic signatures created by these dense deep-mantle zones, " said lead author Peters.
