Geofysici van het Earth-Life Science Institute (ELSI) van het Tokyo Institute of Technology rapporteren in Natuur Geowetenschappen een nieuw model voor het bestaan ​​van een transportbandsysteem met diepe mantel dat mogelijk in de aarde heeft gefunctioneerd sinds zijn vorming ongeveer 4,5 miljard jaar geleden.

De meeste aardbevingen, vulkanen, berg gebouw, zeebodemspreiding, en andere grote geologische activiteiten op aarde worden aangedreven door zogenaamde platentektoniek, waar grote delen van de aardkorst bewegen als coherente blokken - of platen - die tegen elkaar botsen, uiteenhalen, op elkaar schuiven, en elkaar over hun grenzen passeren. Onder de platen ligt de 3000 km dikke rotsmantel, samengesteld uit heet buigzaam gesteente dat langzaam vervormt en karnt onder de immense druk en temperaturen van het diepe binnenste. Deze kolkende beweging, of mantelconvectie, werkt om warmte uit het binnenste van de aarde te verwijderen, vergelijkbaar met de circulatie in een langzaam kokende stoofpot. Mantelconvectie drijft uiteindelijk de beweging van tektonische platen aan. Beurtelings, de platen roeren ook de mantel, waar ze worden gesubduceerd door op elkaar te schuiven, en zinken door de mantel naar grote diepten.

Wetenschappers hebben zich lang afgevraagd of de aardmantel goed gemengd is door dit roeren en de karnende convectiebewegingen (mantelconvectie), of als het onderste deel van de mantel een andere samenstelling heeft dan het bovenste deel. Dat sommige platen tot aan de basis van de mantel zijn ondergedompeld, 3000 km reizen in ongeveer 200 miljoen jaar, is traditioneel beschouwd als bewijs voor een goed geroerde en gemengde mantelstoofpot.

De slecht gemengde aardmantelstoofpot

In dit onderzoek, de wetenschappers namen een nieuwe benadering door te overwegen of de chemische samenstelling van mantelgesteenten de karnen convectieve beweging beïnvloedt. Sommige rotsen vervormen en vloeien gemakkelijker dan andere, zich gedragen als water in tegenstelling tot vloeistoffen met een hoge viscositeit zoals honing. Bijvoorbeeld, door water in een pan met stoofpot te gieten, wordt het water zelfs zonder veel roeren met de stoofpot gemengd. Onnodig te zeggen, het zou veel meer tijd kosten om honing te mengen met stoofpot. Opmerkelijk, als knoedels in de stoofpot worden gedaan, dan zullen beide componenten nooit mengen. Hoewel dumplings over het algemeen vervormbaar zijn; de kokende stoofpot stroomt gewoon rond de dumplings omdat het veel meer vervormbaar is, of minder stroperig, dan knoedels.

Nutsvoorzieningen, in de aarde, lagere mantelrotsen gedragen zich meer als stoofpot dan knoedels (of meer als water dan honing), afhankelijk van hun chemische samenstelling. Als gesteenten in de onderste mantel relatief verrijkt zijn met silica (of SiO2, dat ook het hoofdbestanddeel van zand is), ze zijn stroperiger en gedragen zich meer als knoedels in vergelijking met met silica verarmde rotsen, die zwakker zijn en zich meer als de stoofpot zelf gedragen. Dit is intrigerend omdat veel meteorieten die worden beschouwd als de bouwstenen van de aarde een hoger silicagehalte hebben dan rotsen in het bovenste deel van de aardmantel. Om de balans van silica-uitputting in de meeste mantelgesteenten die zijn onderzocht, te compenseren, tenminste enkele rotsen in de onderste mantel zouden relatief rijk aan silica moeten zijn. Dus, de aardmantel lijkt misschien een beetje op een goed gemengde, stoofpot met weinig silica en enkele slecht gemengde silica-rijke knoedels nabij de basis.

Om de karnende beweging van de mantelstoof te bestuderen, Maxim Ballmer en zijn collega's bij ELSI voegden een sterke silica-rijke laag toe aan numerieke simulaties van mantelconvectie. Ze vonden dat, na een grote omwenteling van de aanvankelijk opgelegde gelaagdheid, de mantel werd georganiseerd in grote rolachtige convectiecellen, waar zwakke silica-verarmde rotsen de bovenste mantel vullen en rond sterke silica-rijke blokken in de onderste mantel circuleren langs een gigantische transportband (Fig.1).

Gigantische blokken oude rotsen verborgen onder Afrika en de Stille Oceaan?

In de simulaties dit patroon van karnende convectie bleef vele miljarden jaren stabiel, en langer dan de leeftijd van de aarde. De sterke silica-rijke blokken in de onderste mantel zijn waarschijnlijk meer dan 1000 km in diameter en 10, 000 km lang, die ongeveer 15% van de massa van de mantel uitmaken. Ballmer en zijn collega's denken dat ze ver onder Afrika en de Stille Oceaan verborgen zijn, in de vorm van gigantische worsten of donuts.

Het bestaan ​​van zulke sterke domeinen kan verklaren waarom sommige van de gesubduceerde platen niet naar de basis van de mantel zinken, maar eerder een vijver op tussenliggende diepten, waar ze de sterke worsten of donuts tegenkomen. De stabiliteit op lange termijn van deze domeinen kan verder verantwoordelijk zijn voor de geochemische diversiteit van diepgelegen lava's aan het aardoppervlak. Hoewel sommige lava's verband houden met het smelten van mantelgesteenten die zijn gerecycled uit de nabije oppervlaktekorst en door de mantel zijn gecirculeerd, andere sporen sporen van oude domeinen op die circulatie en recycling sinds de vroegste dagen van onze planeet hebben vermeden.

Het voortbestaan ​​van oude gesteenten in de convecterende mantel is voor veel wetenschappers een lang bestaande puzzel geweest. maar kan nu worden opgelost als gevolg van inefficiënte vermenging tussen sterke silica-verrijkte rotsen en de veel zwakkere silica-verarmde mantel.