Новое моделирование астеносферы Земли показывает, что конвективный цикл и поток, управляемый давлением, могут иногда заставлять самый жидкий слой мантии планеты двигаться даже быстрее, чем тектонические плиты, которые движутся поверх него.
Это один из выводов нового исследования геофизиков из Университета Райса, которые смоделировали течение в слое мантии толщиной 100 миль, который начинается у основания тектонических плит Земли, или литосферы.
Исследование, которое доступно онлайн в журнале Earth and Planetary Science Letters, нацелено на широко обсуждаемый вопрос в геофизике: что движет движением тектонических плит Земли, 57 взаимосвязанных плит литосферы, которые скользят, перемалывать и натыкаться друг на друга в сейсмическом танце, который вызывает землетрясения, строит континенты и постепенно меняет форму поверхности планеты каждые несколько миллионов лет?
«Тектонические плиты плавают поверх астеносферы, и ведущая теория последних 40 лет заключается в том, что литосфера движется независимо от астеносферы, а астеносфера движется только потому, что плиты ее тянут за собой», - сказал выпускник. студентка Алана Семпл, ведущий соавтор нового исследования. «Подробные наблюдения за астеносферой, проведенные исследовательской группой Ламонта, дали более детализированную картину и предположили, среди прочего, что астеносфера имеет постоянную скорость в центре, но меняет скорость в верхней и нижней части, и что иногда кажется, что она течет. в другом направлении, чем литосфера."
Вычислительное моделирование, проведенное в Райсе, предлагает теоретическую основу, которая может объяснить эти загадочные наблюдения, сказал Адриан Ленардик, соавтор исследования и профессор наук о Земле, окружающей среде и планетах в Райсе.
«Мы показали, как такие ситуации могут возникать из-за комбинации течения в астеносфере, управляемого плитой и давлением», - сказал он.«Ключом было осознание того, что теория, разработанная бывшим постдоком Райса Тобиасом Хойнк, могла объяснить наблюдения Ламонта, если бы было разрешено более точное представление вязкости астеносферы. Численное моделирование Аланы включало этот тип вязкости и показало, что модифицированная модель могли бы объяснить новые наблюдения. В процессе это предложило новый взгляд на отношения между литосферой и астеносферой».
Хотя астеносфера состоит из горных пород, она находится под сильным давлением, из-за которого ее содержимое может течь.
«Тепловая конвекция в мантии Земли порождает колебания динамического давления», - сказал Семпл. «Слабость астеносферы по сравнению с расположенными выше тектоническими плитами позволяет ей по-разному реагировать на колебания давления. Наши модели показывают, как это может привести к скоростям астеносферы, превышающим скорости плит выше. Модели также показывают, как потоки в астеносфере могут быть смещена от пластин, в соответствии с наблюдениями группы Ламонта"
Океаническая литосфера формируется на срединно-океанических хребтах и течет к зонам субдукции, где одна тектоническая плита скользит под другую. При этом литосфера охлаждается, и тепло из недр Земли передается на ее поверхность. Субдукция перерабатывает более холодный литосферный материал в мантию, а охлаждающие потоки возвращаются в недра.
Трехмерная модель Семпла имитирует как этот конвективный цикл, так и астеносферу. Она выразила благодарность Центру исследовательских вычислений (CRC) Райса за помощь в проведении моделирования, некоторые из которых заняли целых шесть недель, на суперкомпьютере Райс DAVinCI.
Семпл сказал, что моделирование показывает, как циклическая конвекция и поток, управляемый давлением, могут вызывать тектонические движения.
«Наша статья предполагает, что поток в астеносфере, управляемый давлением, может способствовать движению тектонических плит, увлекая их за собой», - сказала она. «Заметный вклад вносит «притяжение плит» - гравитационный процесс, притягивающий плиты к зонам субдукции. Притяжение плит по-прежнему может быть доминирующим процессом, движущим плиты, но наши модели показывают, что астеносферный поток вносит более значительный вклад в движение плит, чем считалось ранее».
Исследование было поддержано Национальным научным фондом. DAVinCI находится в ведении CRC и был приобретен в сотрудничестве с Институтом информационных технологий Кена Кеннеди Райс.