Nya geologiska rön om sammansättningen av jordens mantel hjälper forskare att bättre förstå långsiktig klimatstabilitet och till och med hur seismiska vågor rör sig genom planetens lager.

Forskningen av ett team inklusive forskare från Case Western Reserve University fokuserade på "den djupa kolcykeln, "en del av den övergripande cykeln genom vilken kol rör sig genom jordens olika system.

I enklaste termer, den djupa kolcykeln innefattar två steg:

1. Ytkol, mestadels i form av karbonater, förs in i den djupa manteln genom att subducera oceaniska plattor vid havsdiken.
2. Det kolet återförs sedan till atmosfären som koldioxid (CO ₂ ) genom mantelsmältning och magmaavgasningsprocesser vid vulkaner

Forskare har länge misstänkt att delvis smälta bitar av detta kol är brett fördelade över jordens solida mantel.

Vad de inte helt har förstått är hur långt ner i manteln de kan hittas, eller hur den geologiskt långsamma rörelsen av materialet bidrar till kolets kretslopp vid ytan, som är nödvändigt för livet självt.

Djup koppling mellan koldioxid och klimatförändringar

"Cirkel av kol mellan ytan och det djupa inre är avgörande för att upprätthålla jordens klimat i den beboeliga zonen på lång sikt - vilket betyder hundratals miljoner år, sa James Van Orman, en professor i geokemi och mineralfysik vid College of Arts and Sciences vid Case Western Reserve och en författare om studien, nyligen publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Just nu, vi har en god förståelse för ytreservoarerna av kol, men vet mycket mindre om kollagring i det djupa inlandet, vilket också är avgörande för dess cykling."

Van Orman sa att denna nya forskning visade – baserat på experimentella mätningar av de akustiska egenskaperna hos karbonatsmältan, och jämförelse av dessa resultat med seismologiska data - att en liten del (mindre än en tiondel av 1%) av karbonatsmältan sannolikt finns i hela manteln på djup av cirka 180-330 km.

"Baserat på denna slutsats, vi kan nu uppskatta kolkoncentrationen i den djupa övre manteln och dra slutsatsen att denna reservoar innehåller en stor massa kol, mer än 10, 000 gånger massan av kol i jordens atmosfär, " sa Van Orman.

Det är viktigt, Van Orman sa, eftersom gradvisa förändringar i mängden kol som lagras i denna stora reservoar, på grund av utbyte med atmosfären, kan ha motsvarande effekt på CO ₂ i atmosfären – och därför om långsiktiga klimatförändringar.

Den första författaren till artikeln är Man Xu, som gjorde mycket av arbetet som Ph.D. student vid Case Western Reserve och är nu postdoktor vid University of Chicago.

Andra i projektet var från Florida State University, University of Chicago och Southern University of Science and Technology (SUSTech) i Shenzhen, Kina.

Förklara seismiska våghastighetsskillnader

Forskningen belyser också seismologi, särskilt djup jordforskning.

Ett sätt som geologer bättre förstår det djupa inre är genom att mäta hur seismiska vågor som genereras av jordbävningar – snabbrörliga kompressionsvågor och långsammare skjuvvågor – rör sig genom jordens lager.

Forskare har länge undrat varför hastighetsskillnaden mellan de två typerna av seismiska vågor - P-vågor och S-vågor - nådde sin topp på djup på cirka 180 till 330 kilometer in i jorden.

Kolrika smältor verkar svara på den frågan:små mängder av dessa smältor skulle kunna spridas i den djupa övre manteln och skulle förklara hastighetsförändringen, eftersom vågorna rör sig olika genom smältorna.