В бесчисленных учебниках по естественным наукам для начальной школы мантия Земли представляет собой градиент от желтого к оранжевому, нечетко очерченный слой между корой и ядром.
Для геологов мантия - это гораздо больше. Это регион, который живет где-то между холодом коры и ярким жаром ядра. Здесь рождается океанское дно и умирают тектонические плиты.
Новая статья, опубликованная сегодня в журнале Nature Geoscience, рисует еще более сложную картину мантии как геохимически разнообразной мозаики, сильно отличающейся от относительно однородной лавы, которая в конечном итоге достигает поверхности. Что еще более важно, копия этой мозаики спрятана глубоко в земной коре. Исследование возглавляет Сара Ламбарт, доцент кафедры геологии Университета штата Юта, и оно финансируется исследовательской и инновационной программой Horizon 2020 Европейского Союза и Национальным научным фондом.
«Если вы посмотрите на картину Джексона Поллока, вы увидите много разных цветов», - говорит Ламбарт. «Эти цвета представляют различные компоненты мантии, а линии представляют собой магму, произведенную этими компонентами и перенесенную на поверхность. Посмотрите на желтую линию, она не будет сильно смешиваться с красной или черной».
Примитивные минералы
Наилучший доступ к мантии находится в форме лавы, которая извергается на срединно-океанических хребтах. Эти хребты находятся в середине океанского дна и образуют новую океанскую кору. Образцы этой лавы показывают, что ее химический состав практически одинаков на всей планете.
Но это противоречит тому, что происходит на другом конце жизненного цикла земной коры. Старая океаническая кора отходит от срединно-океанических хребтов, пока не оказывается под континентом и не погружается обратно в мантию. Что происходит после этого, несколько неясно, но если и мантия, и старая кора расплавятся, должны быть некоторые изменения в химическом составе магм.
Итак, Ламбарт и ее коллеги из Уэльса и Нидерландов стремились выяснить, как выглядит мантия до того, как она поднимется в виде лавы на срединно-океаническом хребте. Они исследовали керны, пробуренные в океанской коре, чтобы посмотреть на кумулятивные минералы: минералы, которые кристаллизуются первыми, когда магма входит в кору.
«Мы рассмотрели самую примитивную часть этих минералов», - говорит Ламбарт, добавляя, что, как только они нашли примитивные минералы, они проанализировали только химический состав тех самых ранних минералов, которые образовались. «Если вы на самом деле не смотрите на самую примитивную часть, вы можете потерять сигнал этого первого расплава, доставленного в земную кору. В этом оригинальность нашей работы."
Они проанализировали образцы сантиметр за сантиметром, чтобы посмотреть на различия в изотопах неодима и стронция, которые могут указывать на разный химический состав материала мантии, происходящего из разных типов горных пород. «Если у вас есть изотопная изменчивость в ваших кумулятах, это означает, что у вас должна быть изотопная изменчивость и в мантии», - говорит Ламбарт.
Когда включается блендер
Это именно то, что обнаружила команда. Величина изотопной изменчивости в кумулятах была в семь раз больше, чем в лавах срединно-океанических хребтов. Это означает, что мантия далеко не перемешана и эта изменчивость сохраняется в кумулятах.
Вероятная причина, по словам Ламбарт, заключается в том, что разные горные породы плавятся при разных температурах. Первая порода, которая расплавится, например, старая кора, может создать каналы, по которым магма может дойти до коры. Плавление другого типа породы может сделать то же самое. Конечным результатом является несколько сетей каналов, которые сходятся к срединно-океаническому хребту, но не смешиваются, напоминая полосы краски на картине Джексона Поллока.
Чтобы понять значение этого открытия для геологии, представьте себе смузи. Нет, вернитесь еще дальше и представьте графин блендера, полный фруктов, льда, молока и других ингредиентов. Это как мантия - отдельные ингредиенты, отличающиеся друг от друга, как клубника от черники. Полностью смешанный смузи похож на лаву срединно-океанического хребта. Он полностью смешанный. В какой-то момент между глубокой мантией и срединно-океаническим хребтом Земля включает блендер. Ламбарт говорит, что ее результаты показывают, что на самом верху мантии перемешивание еще не произошло. Блендер, оказывается, не включается пока где-то в корке.
Работа Ламбарт помогает ей и другим геологам пересмотреть свое представление о том, как материал перемещается через мантию на поверхность.
«Проблема в том, что нам нужно найти способ смоделировать геодинамическую структуру земли, включая тектонику плит, чтобы воспроизвести то, что сегодня записано в горных породах», - говорит она. "Пока эта ссылка отсутствует."
Сейчас Ламбарт создает новую лабораторию экспериментальной петрологии для изучения условий, в которых магмы сохраняют свой химический состав во время своего путешествия через мантию и кору.