Новое исследование, проведенное геохимиками из Университета Брауна, дает новое представление о масштабах, в которых химический состав мантии Земли меняется. Полученные данные могут помочь ученым лучше понять процесс перемешивания мантийной конвекции, медленное взбалтывание, которое приводит в движение тектонические плиты Земли.
«Мы знаем, что мантия неоднородна по составу, но было трудно понять, насколько велики или малы эти неоднородности», - сказал Бода Лю, доктор философии. студент геологии в Брауне. «То, что мы показываем здесь, это то, что должны быть неоднородности размером не менее километра, чтобы произвести химическую сигнатуру, которую мы наблюдаем в породах, полученных из материалов мантии."
Исследование, которое Лю написал в соавторстве с Яном Ляном, профессором Брауновского отделения наук об окружающей среде и планетах, опубликовано в журнале Science Advances.
Земная кора находится на постоянно движущейся конвейерной ленте, приводимой в движение конвектирующей мантией. На срединно-океанических хребтах, границах на дне океана, где тектонические плиты отрываются друг от друга, новая кора создается извержением магмы, образованной при подъеме мантийных материалов из глубины. В зонах субдукции, где одна тектоническая плита проскальзывает под другую, старый материал коры, выветрелый в результате процессов на поверхности, выталкивается обратно в мантию. Эта переработка может создавать материалы мантии с различным или «обогащенным» составом, которые геохимики называют «неоднородностями». Что происходит с этим обогащенным материалом после его переработки, до конца не изучено.
«Это один из самых важных вопросов в науках о Земле», - сказал Лян. «В какой степени мантийная конвекция смешивает и гомогенизирует эти неоднородности? Или как эти неоднородности могут быть сохранены?»
Ученые узнают о составе мантии, изучая базальты срединно-океанических хребтов (MORB), горные породы, образованные в результате затвердевания магмы, извергавшейся на морском дне. Как и отпечатки пальцев, изотопный состав MORB можно использовать для отслеживания мантийного источника, из которого они были получены.
Другой тип пород морского дна, называемый абиссальными перидотитами, представляет собой остатки мантии после образования MORB. Это куски мантийной породы, которые когда-то были самой верхней мантией, а затем поднялись до морского дна. Абиссальные перидотиты имеют другой изотопный состав, чем MORB, которые, по-видимому, происходят из той же области мантии. Чтобы объяснить эту разницу в изотопном составе, ученые пришли к выводу, что MORB улавливают изотопный сигнал из карманов обогащенного материала - остатков субдуктивной коры, сохранившихся в мантии..
Вопрос, на который пыталось ответить это новое исследование, заключается в том, насколько большими должны быть эти обогащенные карманы, чтобы их изотопная сигнатура пережила поездку на поверхность. Когда магма поднимается к поверхности, она взаимодействует с окружающей мантией, что может ослабить сигнал обогащенного материала в расплаве. Для своего исследования Лю и Лян смоделировали процессы плавления и переноса магмы. Они обнаружили, что для получения различных изотопных сигналов между MORB и абиссальными перидотитами карманы обогащенного материала на глубине должны иметь размер не менее одного километра.
«Если масштаб неоднородностей слишком мал, химический обмен во время потока магмы уничтожит неоднородности», - сказал Лян. «Поэтому, чтобы получить ту разницу в составе, которую мы видим, наша модель показывает, что неоднородность должна составлять километр или более».
Исследователи надеются, что их исследование добавит новый взгляд на мелкомасштабную структуру мантии, созданную мантийной конвекцией.
«Наш вклад здесь состоит в том, чтобы дать некоторое представление о том, насколько велики могут быть некоторые из этих неоднородностей», - сказал Лян. «Итак, вопрос к более широкому сообществу звучит так: какие глубинные мантийные процессы могут привести к этому?»
Исследование было поддержано грантом Национального научного фонда (EAR-1624516).