En snabb kollisionshastighet mellan tektoniska plattor och en ung ålder (miljoner år) är två faktorer som gynnar litosfärens sänkning i manteln, enligt en ny studie gjord av forskare vid Institute of Earth Sciences Jaume Almera från det spanska nationella forskningsrådet (ICTJA-CSIC). Studien har nyligen publicerats i Vetenskapliga rapporter .

Författarna till studien utvecklade en ny numerisk modell för att studera effekterna av konvergenshastigheten mellan tektoniska plattor och dess sammansättning på den litosfäriska manteldensiteten, vilket främjar eller undviker att den sjunker under subduktions- eller delamineringsprocesser.

"Modellen som designats i denna studie ger en metodologisk ram för att förstå litosfärens stabilitet under konvergensen av de tektoniska plattorna, sade Kittiphon Boonma, Ph.D. student i SUBITOP-projektet vid ICTJA-CSIC och första författare till studien.

Litosfären är jordens stela yttersta lager som består av skorpan och den översta manteln, bildar de tektoniska plattorna. Dessa plattor flyter och rör sig över astenosfären, ett tätare och mer visköst lager av den sublitosfäriska manteln. I de områden där plattorna konvergerar, en av plattorna sjunker under den andra, stöta in i den sublitosfäriska manteln. Detta skulle vara det typiska fallet för subduktionszonerna för den oceaniska litosfären. En annan möjlighet är att i kontinentala kollisionszoner, den litosfäriska manteln på en av plattorna separerar från ("skalar av") skorpan och sjunker in i astenosfären i en process som kallas delaminering. Båda processerna är känsliga för den litosfäriska manteldensiteten som, på samma gång, beror på trycket, temperatur och kemisk sammansättning eller, vilket är detsamma, av konvergenshastigheten och litosfärens ålder.

"Våra simuleringar kombinerar litosfärisk sammansättning för olika plåtåldrar med ett brett spektrum av plåtkollisionshastigheter för att förstå vad som bestämmer litosfärens positiva eller negativa flytförmåga, sa Daniel García-Castellanos, forskare vid ICTJA-CSIC och medförfattare till studien.

"Det huvudsakliga framsteg i vårt arbete är analysen av beroendet av litosfärisk mantelflytkraft på densitetsvariationer som är ett resultat av advektions-diffusionsbalansen med tanke på ett brett spektrum av tektoniska konvergenshastigheter och olika kemiska sammansättningar av litosfärisk mantel, sa Kittiphon Boonma.

Forskare utförde flera simuleringar med den nya modellen med hänsyn till tre olika typer av kontinental litosfär, med ett åldersintervall mellan 2,5 Ga och 1 Ga år, och två oceaniska litosfärer i åldern 120 och 30 miljoner år gamla. De ansåg sex olika konvergenshastigheter mellan 1 och 80 mm/år. Simuleringarna syftade till att observera effekten av de olika kollisionshastigheterna och kompositionerna på litosfärisk manteltäthet.

"I subduktions- eller kontinentala kollisionsprocesser, det finns två motsatta effekter som påverkar manteldensiteten. Densiteten ökar på grund av tryckökningar men, på samma gång, den tenderar att minska på grund av den temperaturökning som djupet ger upphov till. Övervägandet av en av dessa två effekter kommer att bero på konvergenshastigheten. Dessutom, manteldensiteten beror också på dess egen kemiska sammansättning och det har observerats att den minskar med åldern, " förklarar Manel Fernández, medförfattare till studien.

Modellresultaten visade att den äldsta och tjockaste kontinentala litosfäriska manteln (Archon) var mindre tät än astenosfären och undvek att sjunka. Vid låga och måttliga konvergenshastigheter, forskare fann att de två andra typerna av kontinental litosfärisk mantel skiftade från att sjunka till att vara stabil på grund av deras tunnare tjocklek och förlusten av densitet som inducerades av temperaturökningarna på grund av djupet. Sista, de två olika typerna av oceanisk litosfär sjönk alltid, oavsett den tillämpade konvergenshastigheten, på grund av deras större densitet som härrör från dess sammansättning.

"Enligt dessa resultat, ju snabbare konvergenshastigheten är mellan två kontinenter, ju större sannolikhet är att en av dem delaminerar eller sjunker mot manteln, " förklarar Daniel García-Castellanos.

"Resultaten tyder på en förklaring till varför de unga plattorna ofta lätt sjunker in i manteln, återvinns i manteln medan kratoner (äldsta kontinentala regioner) verkar motstå förändringar i tektoniska krafter under jordens evolution bättre och de är mindre benägna att subducera eller delaminera, sa García-Castellanos.