Een team onder leiding van geowetenschappers van de Arizona State University en de Michigan State University heeft computermodellering gebruikt om uit te leggen hoe zakken papperig gesteente zich ophopen op de grens tussen de kern en de mantel van de aarde.

Deze zakken, liggen ongeveer 2, 900 kilometer (1, 800 mijl) onder het oppervlak, al jaren bekend, maar eerder ontbrak een verklaring van hoe ze gevormd.

De relatief kleine rotslichamen worden "ultra-lage snelheidszones" genoemd omdat seismische golven enorm vertragen als ze er doorheen gaan. Geowetenschappers hebben gedacht dat de zones gedeeltelijk gesmolten zijn, maar de zakken zijn raadselachtig omdat veel worden waargenomen in koelere gebieden van de diepe mantel.

"Er wordt aangenomen dat deze kleine regio's een gedeeltelijk gesmolten versie zijn van het gesteente dat hen omringt, " zegt Mingming Li, hoofdauteur van de studie, die op 2 augustus werd gepubliceerd, 2017, in het journaal Natuurcommunicatie . "Maar hun wereldwijde verspreiding en grote variaties in dichtheid, vorm, en grootte suggereren dat ze een andere samenstelling hebben dan de mantel."

Li trad deze maand toe tot ASU's School of Earth and Space Exploration (SESE) als assistent-professor. Hij was een afgestudeerde student van voormalig SESE universitair hoofddocent Allen McNamara, ook een co-auteur op het papier; McNamara is nu bij het Department of Earth and Environmental Sciences van de staat Michigan. De extra co-auteurs zijn SESE-professor Edward Garnero en zijn promovendus Shule Yu.

"We weten niet wat ultra-lage snelheidszones zijn, " zegt McNamara. "Ze zijn ofwel heet, gedeeltelijk gesmolten delen van anders normale mantel, of ze zijn iets heel anders, een andere samenstelling."

Omdat seismisch bewijs beide mogelijkheden toelaat, hij zegt, "We hebben besloten om mantelconvectie met de computer te modelleren om te onderzoeken of hun vormen en posities de vraag kunnen beantwoorden."

Hebben zakken betrekking op blobs?

Ongeveer een jaar geleden, Garnero, McNamara, en SESE universitair hoofddocent Dan Shim meldde dat twee gigantische rotsstructuren diep in de aarde waarschijnlijk zijn gemaakt van iets anders dan de rest van de mantel. Ze noemden de grote constructies "thermochemische palen, " of eenvoudiger, klodders.

"Hoewel de oorsprong en samenstelling van deze klodders onbekend zijn, " Garnero zei destijds, "we vermoeden dat ze belangrijke aanwijzingen bevatten over hoe de aarde is gevormd en hoe deze vandaag de dag werkt."

Waar de grote klodders van gemaakt zijn en hoe ze gevormd zijn, is nog onbekend, zegt Garnero. "Maar de nieuwe computermodellering legt uit hoe deze ultralage snelheidszones worden geassocieerd met de veel grotere klodders."

Li zegt, "De ultralage snelheidszones zijn over het algemeen ongeveer tientallen kilometers hoog, en honderden kilometers breed of minder. Ze bevinden zich meestal aan de randen van de veel grotere klodders, maar sommigen van hen worden zowel in de klodders als ver weg van hen gedetecteerd."

De uitkomst van de computermodellering toonde aan dat de meeste van deze ultra-lage snelheidszones qua samenstelling verschillen van de omringende mantel, zegt Li. Bovendien, de modellering toonde aan dat rotsblokken met verschillende samenstellingen van overal op de kern-mantelgrens naar de randen van de grote klodders zullen migreren.

"De randen van de thermochemische stapels zijn waar mantelstroompatronen samenkomen, "McNamara zegt, "en daarom bieden deze gebieden een 'verzameldepot' voor dichtere soorten gesteente."

Verzameld door hitte

De kracht die deze beweging aandrijft is warmte, die convectie in de mantel aandrijft.

De aardmantel is gemaakt van heet gesteente, maar het gedraagt ​​zich meer als fudge die langzaam op een fornuis suddert. In de mantel, warmte komt zowel van radioactiviteit in het mantelgesteente als van de kern van de planeet, waarvan het centrum ongeveer zo heet is als het oppervlak van de zon. Mantelgesteente reageert op deze hitte met een langzame karnen-convectieve-beweging.

"De details zijn niet helemaal duidelijk, ", zegt Li. Maar de modellering laat zien dat rotsen van verschillende samenstelling op de convectie reageren op een manier die qua samenstelling vergelijkbare materialen samenbrengt. Dit verplaatst de kleine holtes van chemisch verschillende rotsen naar de randen van de hetere klodders boven de kern-mantelgrens.

"We hebben 3D-computermodellering met hoge resolutie uitgevoerd en een methode ontwikkeld om de beweging van zowel de kleine holtes van ultra-lage snelheidszones als de veel grotere thermochemische stapels te volgen." Li legt uit, "Hierdoor konden we bestuderen hoe de kleine zakjes zich verplaatsen en hoe hun locaties gerelateerd kunnen worden aan hun oorsprong."

McNamara zegt, "Wat nieuw was aan onze aanpak - en ook rekenkundig uitdagend - was dat de modellering tegelijkertijd rekening hield met enorm verschillende bewegingsschalen." Deze varieerden van wereldwijde convectiepatronen op mantelschaal, naar de grote thermochemische stapels in de onderste mantel, en naar de zeer kleinschalige holtes van de ultra-lage snelheidszone aan de onderkant.

"Wat we uiteindelijk vonden, " hij zegt, "is dat als ultra-lage snelheidszones worden veroorzaakt door het smelten van anders normale mantel, ze moeten goed binnen de thermochemische palen worden geplaatst, waar de manteltemperaturen het heetst zijn."

Maar hij voegt eraan toe, "Als de rotsformaties met ultralage snelheid een andere samenstelling hebben dan het gewone mantelgesteente, dan zou mantelconvectie ze voortdurend naar de randen van stapels brengen waar ze zich verzamelen.

"Dit komt overeen met wat we zien in de seismische waarnemingen."

Rotsen die diep duiken?

Waar komen de verschillende materialen in de diepe mantel vandaan?

"Er zijn meerdere mogelijkheden, " zegt Garnero. "Sommig materiaal kan worden geassocieerd met voormalige basaltachtige oceanische korst die diep is ondergedompeld. Of het kan worden geassocieerd met chemische reacties tussen de ijzerrijke vloeistof van de buitenste kern en de kristallijne silicaatmantel."

Garnero zegt dat waar het gesteente in ultralage snelheidszones oorspronkelijk vandaan kwam, momenteel niet is opgelost. Maar het proces van het verzamelen van dit materiaal in kleine rotsblokken is duidelijk.

"Je kunt verschillende mechanismen hebben, zoals platentektoniek, die rots van verschillende chemie in de diepste mantel overal op aarde duwen, " hij zegt.

"Maar als deze verschillende rotsen eenmaal diep zijn gezonken, convectie wint en sleept ze naar de hete streken, namelijk, waar de thermochemische stapels van continentale grootte zich bevinden."