Nieuwe simulaties van de asthenosfeer van de aarde ontdekken dat convectieve cycli en drukgedreven stroming er soms voor kunnen zorgen dat de meest vloeibare mantellaag van de planeet zelfs sneller beweegt dan de tektonische platen die erop rijden.

Dat is een conclusie uit een nieuwe studie van geofysici van de Rice University die de stroming in de 160 kilometer dikke mantellaag hebben gemodelleerd die begint aan de basis van de tektonische platen van de aarde. of lithosfeer.

De studie, die online beschikbaar is in het tijdschrift Aardse en planetaire wetenschapsbrieven , richt zich op een veelbesproken vraag in de geofysica:wat drijft de beweging van de tektonische platen van de aarde, de 57 in elkaar grijpende platen van de lithosfeer die wegglijden, malen en botsen tegen elkaar in een seismische dans die aardbevingen veroorzaakt, continenten bouwt en om de paar miljoen jaar geleidelijk het oppervlak van de planeet hervormt?

"Tektonische platen drijven op de asthenosfeer, en de leidende theorie van de afgelopen 40 jaar is dat de lithosfeer onafhankelijk van de asthenosfeer beweegt, en de asthenosfeer beweegt alleen omdat de platen hem meeslepen, " zei afgestudeerde student Alana Semple, hoofdco-auteur van de nieuwe studie. "Gedetailleerde observaties van de asthenosfeer van een onderzoeksgroep in Lamont gaven een genuanceerder beeld en suggereerden:onder andere, dat de asthenosfeer in het midden een constante snelheid heeft, maar aan de boven- en onderkant van snelheid verandert, en dat het soms lijkt te stromen in een andere richting dan de lithosfeer."

Computational modelling uitgevoerd bij Rice biedt een theoretisch kader dat deze raadselachtige observaties kan verklaren, zei Adrian Lenardic, een studie co-auteur en professor van de aarde, milieu- en planetaire wetenschappen bij Rice.

"We hebben laten zien hoe deze situaties kunnen optreden door een combinatie van plaat- en drukgedreven stroming in de asthenosfeer, " zei hij. "De sleutel was het besef dat een theorie ontwikkeld door voormalig Rice-postdoc Tobias Höink het potentieel had om de Lamont-waarnemingen te verklaren als een meer accurate weergave van de viscositeit van de asthenosfeer werd toegestaan. Alana's numerieke simulaties bevatten dat type viscositeit en toonden aan dat het aangepaste model de nieuwe waarnemingen zou kunnen verklaren. In het proces, dit bood een nieuwe manier van denken over de relatie tussen de lithosfeer en asthenosfeer."

Hoewel de asthenosfeer van steen is, het staat onder intense druk waardoor de inhoud kan stromen.

"Thermische convectie in de aardmantel genereert dynamische drukvariaties, ' zei Semple. 'De zwakte van de asthenosfeer, ten opzichte van tektonische platen hierboven, maakt het mogelijk om anders te reageren op de drukvariaties. Onze modellen laten zien hoe dit kan leiden tot asthenosfeersnelheden die hoger zijn dan die van bovenstaande platen. De modellen laten ook zien hoe de stroming in de asthenosfeer kan worden gecompenseerd door die van platen, in lijn met de waarnemingen van de Lamont-groep"

De oceanische lithosfeer wordt gevormd op mid-oceanische ruggen en stroomt naar subductiezones waar de ene tektonische plaat onder de andere schuift. In het proces, de lithosfeer koelt af en warmte van het binnenste van de aarde wordt overgebracht naar het oppervlak. Subductie recyclet koeler lithosferisch materiaal in de mantel, en de verkoelende stromen vloeien terug naar het diepe interieur.

Het 3D-model van Semple simuleert zowel deze convectieve cyclus als de asthenosfeer. Ze prees Rice's Center for Research Computing (CRC) voor zijn hulp bij het uitvoeren van simulaties - waarvan sommige wel zes weken duurden - op de DAVinCI-supercomputer van Rice.

Semple zei dat de simulaties laten zien hoe convectieve cycli en drukgedreven stroming tektonische bewegingen kunnen veroorzaken.

"Ons artikel suggereert dat door druk aangedreven stroming in de asthenosfeer kan bijdragen aan de beweging van tektonische platen door platen mee te slepen, " zei ze. "Een opmerkelijke bijdrage komt van 'slab-pull, ' een door zwaartekracht aangedreven proces dat platen naar subductiezones trekt. Slab-pull kan nog steeds het dominante proces zijn dat platen beweegt, maar onze modellen laten zien dat asthenosfeerstroming een grotere bijdrage levert aan plaatbeweging dan eerder werd gedacht."