Nya simuleringar av jordens astenosfär finner att konvektiv cykling och tryckdrivet flöde ibland kan få planetens mest flytande mantelskikt att röra sig ännu snabbare än de tektoniska plattorna som åker ovanpå den.

Det är en slutsats från en ny studie av geofysiker från Rice University som modellerade flödet i det 100 mil tjocka lagret av mantel som börjar vid basen av jordens tektoniska plattor, eller litosfären.

Studien, som finns tillgänglig online i tidskriften Earth and Planetary Science Letters , tar sikte på en mycket omdiskuterad fråga inom geofysik:Vad driver rörelsen av jordens tektoniska plattor, de 57 sammankopplade plattorna i litosfären som glider, mala och stöta mot varandra i en seismisk dans som orsakar jordbävningar, bygger kontinenter och gradvis omformar planetens yta med några miljoner års mellanrum?

"Tektoniska plattor flyter ovanpå astenosfären, och den ledande teorin under de senaste 40 åren är att litosfären rör sig oberoende av astenosfären, och astenosfären rör sig bara för att plattorna drar den med sig, " sa doktoranden Alana Semple, huvudförfattare till den nya studien. "Detaljerade observationer av astenosfären från en Lamont -forskargrupp gav en mer nyanserad bild och föreslog, bland annat, att astenosfären har en konstant hastighet i mitten men ändrar hastighet vid dess topp och bas, och att det ibland verkar flyta i en annan riktning än litosfären."

Beräkningsmodellering utförd på Rice erbjuder en teoretisk ram som kan förklara dessa förbryllande observationer, sa Adrian Lenardic, en studie medförfattare och professor i jorden, miljö- och planetvetenskap på Rice.

"Vi har visat hur dessa situationer kan uppstå genom en kombination av platt- och tryckdrivet flöde i astenosfären, ", sa han. "Nyckeln var att inse att en teori utvecklad av tidigare Rice postdoc Tobias Höink hade potential att förklara Lamont-observationerna om en mer exakt representation av astenosfärens viskositet tillåts. Alanas numeriska simuleringar inkorporerade den typen av viskositet och visade att den modifierade modellen kunde förklara de nya observationerna. I processen, detta erbjöd ett nytt sätt att tänka på förhållandet mellan litosfären och astenosfären."

Även om astenosfären är gjord av sten, det är under intensivt tryck som kan få dess innehåll att rinna.

"Termisk konvektion i jordens mantel genererar dynamiska tryckvariationer, "Somple sa. "Svagheten i astenosfären, i förhållande till tektoniska plattor ovan, gör att den kan reagera olika på tryckvariationerna. Våra modeller visar hur detta kan leda till astenosfärhastigheter som överstiger plattornas ovan. Modellerna visar också hur flödet i astenosfären kan förskjutas från plattornas, i linje med observationerna från Lamont-gruppen"

Den oceaniska litosfären bildas vid åsar i mitten av havet och flyter mot subduktionszoner där en tektonisk platta glider under en annan. I processen, litosfären svalnar och värmen från jordens inre överförs till dess yta. Subduktion återvinner kallare litosfäriskt material i manteln, och kylströmmarna flödar tillbaka in i det djupa inre.

Semples 3D-modell simulerar både denna konvektiva cykel och astenosfären. Hon krediterade Rices Center for Research Computing (CRC) för dess hjälp att köra simuleringar – av vilka några tog så lång tid som sex veckor – på Rices DAVinCI superdator.

Semple sa att simuleringarna visar hur konvektiv cykling och tryckdrivet flöde kan driva tektoniska rörelser.

"Vårt papper antyder att tryckdrivet flöde i astenosfären kan bidra till rörelsen av tektoniska plattor genom att dra plattorna med sig, " sa hon. "Ett anmärkningsvärt bidrag kommer från 'slab-pull, ' en gravitationsdriven process som drar plattor mot subduktionszoner. Slab-pull kan fortfarande vara den dominerande processen som flyttar plattor, men våra modeller visar att astenosfärflöde ger ett mer betydande bidrag till plattrörelse än man tidigare trott. "