In de jaren 1960, zo'n 50 jaar nadat de Duitse onderzoeker Alfred Wegener zijn continentale drift-hypothese voorstelde, de theorie van de platentektoniek gaf wetenschappers een verbindend raamwerk voor het beschrijven van de grootschalige beweging van de oppervlakteplaten die de lithosfeer van de aarde vormen - een raamwerk dat vervolgens een revolutie teweegbracht in de geowetenschappen.

Hoe die platen over het aardoppervlak bewegen, wordt bepaald door beweging in de mantel - waarvan de drijvende kracht convectie is als gevolg van thermische anomalieën, met samenstellingsheterogeniteit ook verwacht. Echter, de technische uitdaging om structuren te visualiseren in een optisch ondoordringbare, 6, Een rotsbol met een straal van 371 kilometer heeft het begrip van de compositorische en thermische toestand van de mantel mogelijk gemaakt, evenals zijn dynamische evolutie, een langdurige uitdaging in de aardwetenschappen.

Nutsvoorzieningen, in een krant die vandaag is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , onderzoekers van het MIT, keizerlijke universiteit, Rijst Universiteit, en het Instituut voor Aardwetenschappen in Frankrijk rapporteren direct bewijs voor laterale variaties in de samenstelling van de mantel onder Hawaï. De resultaten bieden wetenschappers belangrijke nieuwe inzichten in hoe de aarde is geëvolueerd gedurende haar 4,5 miljard jaar durende geschiedenis, waarom het is zoals het nu is, en wat dit betekent voor rotsplaneten elders.

compositie variatie

Wetenschappers behandelen de mantel als twee lagen - de onderste mantel en de bovenste mantel - gescheiden door een grenslaag die de mantelovergangszone (MTZ) wordt genoemd. fysiek, de MTZ wordt begrensd door twee seismische snelheidsdiscontinuïteiten nabij 410 km en 660 km diepte (aangeduid als 410 en 660). Deze discontinuïteiten, die het gevolg zijn van faseovergangen in silicaatmineralen, spelen een belangrijke rol bij het moduleren van de mantelstroom. Laterale variaties in diepte van deze discontinuïteiten zijn op grote schaal gebruikt om thermische anomalieën in de mantel af te leiden, zoals minerale fysica een ondiepere 410 en een diepere 660 voorspelt in koude gebieden en een diepere 410 en een ondiepere 660 in warme gebieden.

Eerdere petrologische en numerieke studies voorspellen ook de segregatie van de samenstelling van basalt en harzburgitisch materiaal (en dus de heterogeniteit van de samenstelling) nabij de basis van de MTZ in de relatief warme omgevingen met lage viscositeit in de buurt van opwellingen van de mantel. Maar observationeel bewijs voor een dergelijk proces was schaars.

De nieuwe studie, echter, toont duidelijk bewijs voor laterale variatie in samenstelling nabij de basis van de MTZ onder Hawaï. Dit bewijs kan belangrijke implicaties hebben voor ons algemene begrip van de manteldynamiek.

Als hoofdauteur Chunquan Yu Ph.D. '16, een voormalige afstudeerder in de Hilst Group aan het MIT die nu een postdoc is bij Caltech, verklaart, "Bij midden oceaanruggen, plaatscheiding resulteert in opstijgend en gedeeltelijk smelten van het mantelmateriaal. Een dergelijk proces veroorzaakt differentiatie van de oceanische lithosfeer met basaltmateriaal in de korst en harzburgitisch residu in de mantel. Terwijl de gedifferentieerde oceanische lithosfeer afkoelt, het daalt terug in de mantel langs de subductiezone. Basalt en harzburgiet zijn moeilijk te scheiden in koude omgevingen. Echter, ze kunnen segregeren in relatief warme omgevingen met een lage viscositeit, zoals opwellingen in de buurt van de mantel, mogelijk een belangrijke bron van heterogeniteit in samenstelling in de aardmantel."

Kijken met aardbevingen

Om dit idee te onderzoeken, Yu en zijn collega's gebruikten een seismische techniek waarbij de reflecties van de afschuifgolf aan de onderkant van manteldiscontinuïteiten - bekend als SS-precursoren - werden geanalyseerd om MTZ-structuren onder de Stille Oceaan rond Hawaï te bestuderen.

"Als er een aardbeving plaatsvindt, het straalt zowel compressie- (P) als shear wave (S) energie uit. Zowel P- als S-golven kunnen reflecteren vanaf grensvlakken in het binnenste van de aarde, Yu legt uit. "Als een S-golf een bron naar beneden verlaat en naar het vrije oppervlak reflecteert voordat hij bij de ontvanger aankomt, het wordt SS genoemd. SS-precursoren zijn aan de onderkant van S-golfreflecties van manteldiscontinuïteiten. Omdat ze langs kortere straalpaden reizen, ze zijn een voorloper van SS."

Met behulp van een nieuwe seismische array-techniek, het team was in staat om de signaal-ruisverhouding van de SS-precursoren te verbeteren en storende fasen te verwijderen. Als resultaat, veel meer gegevens die anders zouden zijn weggegooid, werden toegankelijk voor analyse.

Ze gebruikten ook zogenaamde amplitude versus offset-analyse, een instrument dat veel wordt gebruikt in exploratieseismologie, om elastische eigenschappen in de buurt van MTZ-discontinuïteiten te beperken.

De analyse vindt sterke laterale variaties in radiale contrasten in massadichtheid en golfsnelheid over 660, terwijl dergelijke variaties niet werden waargenomen langs de 410. Als aanvulling hierop, de thermodynamische modellering van het team, langs een reeks manteltemperaturen voor verschillende representatieve mantelsamenstellingen, sluit een thermische oorsprong uit voor de afgeleide laterale variaties in elastische contrasten over 660. In plaats daarvan, de afgeleide 660 contrasten kunnen worden verklaard door laterale variatie in mantelsamenstelling:van gemiddelde (pyrolytische, ongeveer 60 procent olivijn) mantel onder Hawaii tot een mengsel met meer smeltarm harzburgiet (ongeveer 80 procent olivijn) ten zuidoosten van de hotspot. Een dergelijke heterogeniteit in samenstelling is consistent met numerieke voorspellingen dat segregatie van basalt en harzburgitisch materiaal zou kunnen optreden nabij de basis van de MTZ in de buurt van hete diepe mantelopwellingen zoals die vaak wordt aangeroepen om vulkanische activiteit op Hawaï te veroorzaken.

"Er is gesuggereerd dat segregatie in de samenstelling tussen basaltische en harzburgitische materialen een zwaartekrachtstabiele laag over de basis van de MTZ zou kunnen vormen. en dus sterk de wijze van mantelconvectie en zijn chemische circulatie beïnvloeden, " zegt Yu.

Deze studie presenteert een veelbelovende techniek om beperkingen te krijgen op de tot nu toe ongrijpbare verdeling van heterogeniteit in samenstelling binnen de aardmantel. Compositionele segregatie nabij de basis van de MTZ wordt sinds de jaren zestig verwacht en het bewijs dat dit proces inderdaad plaatsvindt, heeft belangrijke implicaties voor ons begrip van de chemische evolutie van de aarde.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.