Nieuw onderzoek door geochemici van Brown University geeft nieuwe inzichten over de schaal waarop de aardmantel varieert in chemische samenstelling. De bevindingen kunnen wetenschappers helpen het mengproces van mantelconvectie beter te begrijpen, het langzame karnen dat de beweging van de tektonische platen van de aarde aandrijft.

"We weten dat de mantel heterogeen van samenstelling is, maar het was moeilijk om erachter te komen hoe groot of klein die heterogeniteiten zouden kunnen zijn, " zei Boda Liu, een doctoraat student geologie aan Brown. "Wat we hier laten zien, is dat er heterogeniteiten van minstens een kilometer groot moeten zijn om de chemische handtekening te produceren die we waarnemen in gesteenten die zijn afgeleid van mantelmaterialen."

Het onderzoek, waarvan Liu samen met Yan Liang schreef, een professor in Brown's Department of Earth Environmental and Planetary Sciences, is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

De aardkorst bevindt zich op een constant bewegende transportband die wordt aangedreven door de convecterende mantel. Op de mid-oceanische ruggen, de grenzen op de oceaanbodem waar tektonische platen van elkaar wegtrekken, nieuwe korst wordt gecreëerd door uitbarsting van magma's gevormd door het opstijgen van de mantelmaterialen uit de diepte. Bij subductiezones, waar de ene tektonische plaat onder de andere schuift, oud korstmateriaal, verweerd door processen op het oppervlak, wordt teruggeduwd in de mantel. Door deze recycling kunnen mantelmaterialen van verschillende of "verrijkte" samenstellingen ontstaan, die geochemici 'heterogeniteiten' noemen. Wat er met dat verrijkte materiaal gebeurt als het eenmaal is gerecycled, is niet helemaal duidelijk.

"Dit is een van de grote vragen in de aardwetenschappen, " zei Liang. "In welke mate vermengt en homogeniseert mantelconvectie deze heterogeniteiten? Of hoe kunnen deze heterogeniteiten worden behouden?"

Wetenschappers leren over de samenstelling van de mantel door mid-oceanische randbasalt (MORB's) te bestuderen, rotsen gevormd door de stolling van magma's barstten uit op de zeebodem. Zoals vingerafdrukken, isotopensamenstellingen van MORB's kunnen worden gebruikt om de mantelbron te traceren waaruit ze zijn afgeleid.

Een ander type zeebodemgesteente dat abyssale peridotieten wordt genoemd, is de overgebleven mantel na de vorming van MORB's. Dit zijn brokken mantelgesteente die ooit de bovenste mantel waren en later naar de zeebodem zijn opgetild. Abyssale peridotieten hebben een andere isotopensamenstelling dan MORB's die uit hetzelfde mantelgebied lijken te komen. Om dat verschil in isotopensamenstellingen te verklaren, wetenschappers hebben geconcludeerd dat de MORB's het isotoopsignaal opvangen uit zakken met verrijkt materiaal - de overblijfselen van ondergedompelde korst die in de mantel zijn bewaard.

De vraag die deze nieuwe studie probeerde te beantwoorden, is hoe groot die verrijkte zakken zouden moeten zijn om hun isotoopsignatuur de reis naar de oppervlakte te laten overleven. Als magma naar de oppervlakte stijgt, het interageert met de omringende mantel, wat de neiging zou hebben om het signaal van verrijkt materiaal in de smelt te dempen. Voor hun studie Liu en Liang hebben de smelt- en magmatransportprocessen gemodelleerd. Ze ontdekten dat om de verschillende isotoopsignalen tussen MORB's en abyssale peridotieten te produceren, de zakken met verrijkt materiaal op diepte zouden minstens een kilometer groot moeten zijn.

"Als de lengteschaal van de heterogeniteit te klein is, de chemische uitwisseling tijdens de magmastroom zou de heterogeniteiten wegvagen, " zei Liang. "Dus om het compositieverschil te produceren dat we zien, ons model laat zien dat de heterogeniteit een kilometer of meer moet zijn."

De onderzoekers hopen dat hun studie een nieuw perspectief zal toevoegen aan de fijnmazige structuur van de mantel die wordt geproduceerd door mantelconvectie.

"Onze bijdrage hier is om een ​​idee te geven van hoe groot sommige van deze heterogeniteiten kunnen zijn, "Zei Liang. "Dus de vraag aan de bredere gemeenschap wordt:wat kunnen de diepe mantelprocessen zijn die dit kunnen produceren?"