Geologer från Florida State University's Department of Earth, Havs- och atmosfärsvetenskap har upptäckt hur kolrikt smält sten i jordens övre mantel kan påverka rörelsen av seismiska vågor.

Den nya forskningen medförfattades av EOAS docent i geologi Mainak Mookherjee och postdoktoral forskare Suraj Bajgain. Resultaten från studien publicerades i tidskriften Förfaranden från National Academy of Sciences .

"Denna forskning är ganska viktig eftersom kol är en avgörande beståndsdel för planetens beboelse, och vi gör framsteg för att förstå hur fast jord kan ha spelat en roll för att lagra och påverka tillgängligheten av kol på jordens yta, "Mookherjee sa." Vår forskning ger oss en bättre förståelse av elasticiteten, täthet och komprimerbarhet för dessa bergarter och deras roll i jordens kolkrets. "

Kol, en av de viktigaste byggstenarna för livet, sprids i stor utsträckning över jordens övre mantel och lagras mestadels i former av karbonatmineraler som tillbehörsmineraler i mantelberg. När karbonatrik magma bryter ut på ytan, det är anmärkningsvärt för sitt unika, lerliknande utseende. Dessa typer av utbrott sker på specifika platser runt om i världen, som vid vulkanen Ol Doinyo Lengai i Tanzania.

Experter tror att närvaron av karbonater i bergarter avsevärt sänker temperaturen vid vilken de smälter. Karbonater som sjunker till jordens inre, via en process som kallas subduktion, sannolikt orsakar denna låggradiga smältning av jordens övre mantelstenar, som spelar en viktig roll i planetens djupa kolcykel.

"Jordens mantel har mindre fritt syre tillgängligt på ökande djup, "Mookherjee sa." När manteln växer upp genom en process av mantelkonvektion, de långsamt rörliga stenarna som reducerades, eller hade mindre syre, på ett större djup bli gradvis mer oxiderat på grundare djup. Kolet i manteln kommer sannolikt att reduceras djupare i jorden och oxideras när manteln växer upp. "

Denna förändring i djupberoende oxidationstillstånd kommer sannolikt att orsaka smältning av mantelstenar, en process som kallas redoxsmältning, som kan producera kolrikt smält berg, även känd som smälter. Dessa smältningar påverkar sannolikt en bergs fysiska egenskap, som kan detekteras med hjälp av geofysiska sonder som seismiska vågor, han sa.

Före denna studie, geologer hade dålig kunskap om de elastiska egenskaperna hos dessa karbonatinducerade partiella smältningar, vilket gjorde dem svåra att direkt upptäcka.

En uppsättning ledtrådar som geologer använder för att bättre förstå sin vetenskap är mätningar av seismiska vågor när de rör sig genom jordens lager. En typ av seismisk våg som kallas en kompressionsvåg är snabbare än en annan typ som kallas en skjuvvåg, men på ett djup av cirka 180 till 330 kilometer in i jorden, förhållandet mellan deras hastigheter är ännu högre än vad som är normalt.

"Detta förhöjda förhållande av kompressionsvågor till skjuvvågorna har varit ett pussel, och med hjälp av resultaten från vår studie, vi kan förklara denna förvirrande observation, "Sa Mookherjee.

Mindre mängder kolrika smältningar, cirka 0,05 procent, kan spridas genomgående genom jordens djupa övre mantel, och det kan leda till det förhöjda förhållandet mellan komprimering och skjuvningshastighet, forskare förklarade.

För att genomföra studien, forskare gjorde högtrycks ultraljudsmätningar och densitetsmätningar på kärnor av karbonatmineralet dolomit. Dessa experiment kompletterades med teoretiska simuleringar för att ge en ny förståelse av karbonatsmälts grundläggande fysikaliska egenskaper.

"Vi har försökt förstå de elastiska och transportegenskaperna hos vattenhaltiga vätskor, silikatsmält- och metallsmältningsegenskaper, för att få bättre inblick i massan av flyktiga ämnen lagrade i den djupa fasta jorden, Sa Bajgain.

Dessa fynd innebär att de delvis smälta stenarna i manteln kan rymma så mycket som 80 till 140 delar per miljon kol, vilket skulle vara 20 till 36 miljoner gigaton kol i den djupa övre mantelregionen, vilket gör den till en betydande kolreservoar. I jämförelse, Jordens atmosfär innehåller drygt 410 ppm kol, eller runt 870 gigaton.