Geologen van het Department of Earth van de Florida State University, Ocean and Atmospheric Science hebben ontdekt hoe koolstofrijk gesmolten gesteente in de bovenmantel van de aarde de beweging van seismische golven kan beïnvloeden.

Het nieuwe onderzoek was co-auteur van EOAS Associate Professor of Geology Mainak Mookherjee en postdoctoraal onderzoeker Suraj Bajgain. Bevindingen van de studie werden gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Dit onderzoek is heel belangrijk omdat koolstof een cruciaal bestanddeel is voor de bewoonbaarheid van de planeet, en we boeken vooruitgang om te begrijpen hoe vaste aarde een rol kan hebben gespeeld bij het opslaan en beïnvloeden van de beschikbaarheid van koolstof in het aardoppervlak, " zei Mookherjee. "Ons onderzoek geeft ons een beter begrip van de elasticiteit, dichtheid en samendrukbaarheid van deze rotsen en hun rol in de koolstofcyclus van de aarde."

Koolstof, een van de belangrijkste bouwstenen voor het leven, wordt wijd verspreid over de bovenmantel van de aarde en wordt meestal opgeslagen in vormen van carbonaatmineralen als hulpmineralen in mantelgesteenten. Wanneer carbonaatrijk magma op het oppervlak uitbarst, het valt op door zijn unieke, modderig uiterlijk. Dit soort uitbarstingen vindt plaats op specifieke locaties over de hele wereld, zoals bij de vulkaan Ol Doinyo Lengai in Tanzania.

Experts geloven dat de aanwezigheid van carbonaten in gesteenten de temperatuur waarbij ze smelten aanzienlijk verlaagt. Carbonaten die naar het binnenste van de aarde zinken, via een proces dat bekend staat als subductie, waarschijnlijk dit lage smeltpunt van de bovenste mantelgesteenten van de aarde veroorzaken, die een belangrijke rol speelt in de diepe koolstofcyclus van de planeet.

"De aardmantel heeft op toenemende diepten minder vrije zuurstof beschikbaar, "Zei Mookherjee. "Terwijl de mantel opwelt door een proces van mantelconvectie, de langzaam bewegende rotsen die werden gereduceerd, of had minder zuurstof, op grotere diepte geleidelijk meer geoxideerd op ondiepere diepte. De koolstof in de mantel zal waarschijnlijk dieper in de aarde worden gereduceerd en geoxideerd worden als de mantel opwelt."

Deze verandering in diepte-afhankelijke oxidatietoestand veroorzaakt waarschijnlijk het smelten van mantelgesteenten, een proces genaamd redox smelten, die koolstofrijk gesmolten gesteente kunnen produceren, ook wel smelten genoemd. Deze smelten hebben waarschijnlijk invloed op de fysieke eigenschappen van een gesteente, die kunnen worden gedetecteerd met behulp van geofysische sondes zoals seismische golven, hij zei.

Voorafgaand aan deze studie, geologen hadden een slechte kennis van de elastische eigenschappen van deze door carbonaat veroorzaakte deelsmelten, waardoor ze moeilijk direct te detecteren waren.

Een reeks aanwijzingen die geologen gebruiken om hun wetenschap beter te begrijpen, zijn metingen van seismische golven terwijl ze door de lagen van de aarde bewegen. Een type seismische golf dat bekend staat als een compressiegolf is sneller dan een ander type dat bekend staat als een schuifgolf, maar op diepten van ongeveer 180 tot 330 kilometer in de aarde, de verhouding van hun snelheden is zelfs hoger dan gebruikelijk.

"Deze verhoogde verhouding tussen drukgolven en schuifgolven was een puzzel, en gebruikmakend van de bevindingen uit ons onderzoek, we zijn in staat om deze verbijsterende observatie te verklaren, ' zei Mookherjee.

Geringe hoeveelheden koolstofrijke smelt, ongeveer 0,05 procent, zou alomtegenwoordig kunnen worden verspreid door de diepe bovenmantel van de aarde, en dat kan leiden tot de verhoogde verhouding van compressie- tot schuifgeluidssnelheid, onderzoekers uitgelegd.

Om de studie uit te voeren, onderzoekers namen ultrasone hogedrukmetingen en dichtheidsmetingen op kernen van het carbonaatmineraal dolomiet. Deze experimenten werden aangevuld met theoretische simulaties om een ​​nieuw begrip te krijgen van de fundamentele fysische eigenschappen van carbonaatsmelten.

"We hebben geprobeerd de elastische en transporteigenschappen van waterige vloeistoffen te begrijpen, silicaatsmelt- en metaalsmelteigenschappen, om beter inzicht te krijgen in de massa vluchtige stoffen opgeslagen in de diepe vaste aarde, ' zei Bajgain.

Deze bevindingen betekenen dat de gedeeltelijk gesmolten rotsen in de mantel wel 80 tot 140 delen per miljoen koolstof kunnen bevatten, dat zou 20 tot 36 miljoen gigaton koolstof zijn in het diepe bovenmantelgebied, waardoor het een aanzienlijk koolstofreservoir is. In vergelijking, De atmosfeer van de aarde bevat iets meer dan 410 ppm koolstof, of ongeveer 870 gigaton.