Два новых исследования, проведенных в соавторстве с геологами Мэрилендского университета, дают разные, хотя и не обязательно несовместимые, объяснения. Одно исследование предполагает, что мантия ниже 1 мегаметра более вязкая, то есть течет медленнее, чем часть над границей.
Другое исследование предполагает, что секция под границей более плотная, то есть ее молекулы более плотно упакованы, чем секция над ней, из-за сдвига в составе породы.
Взятые вместе, исследования дают первое подробное представление о том, почему крупномасштабные геологические объекты в мантии ведут себя по-разному по обе стороны от мегаметрового водораздела.
Статьи опубликованы 11 декабря 2015 г. в журналах Science и Science Advances.
"Существование мегаметровой границы предполагалось и предполагалось в течение некоторого времени", — сказал Ведран Лекич, доцент геологии в UMD и соавтор научной статьи, посвященной вязкости мантии. "Эти статьи являются первыми опубликованными попытками подробного объяснения, и вполне возможно, что оба объяснения верны."
Хотя мантия в основном твердая, она течет очень медленно в контексте геологического времени. Два основных источника свидетельств предполагают существование границы мегаметра и, таким образом, вдохновили текущие исследования.
Во-первых, многие огромные плиты океанской коры, которые были затянуты или погружены в мантию, все еще можно увидеть в глубинах Земли. Эти плиты медленно опускаются вниз к основанию мантии.
Большое количество этих плит остановилось и, кажется, плавает чуть выше границы мегаметра, что указывает на заметное изменение физических свойств ниже границы.
Во-вторых, из самых глубоких уголков мантии поднимаются большие шлейфы раскаленных пород, и очертания этих структур можно увидеть и в глубинах Земли.
Поскольку порода в этих мантийных шлейфах течет вверх, многие из шлейфов отклоняются в сторону при прохождении границы мегаметра. Это тоже указывает на фундаментальное различие физических свойств по обе стороны от границы.
«Изучение анатомии мантии дает нам больше информации о том, как работают глубокие недра Земли и какие механизмы лежат в основе мантийной конвекции», — сказал Николас Шмерр, доцент геологии в UMD и соавтор статьи Science Advances, посвященной плотность и состав мантии. "Мантийная конвекция — это тепловой двигатель, который приводит в движение тектонику плит на поверхности и в конечном итоге приводит к таким вещам, как вулканы и землетрясения, которые влияют на людей, живущих на поверхности."
Физика глубин Земли сложна, поэтому определение основных физических свойств мантии, таких как плотность и вязкость, является важным шагом. Плотность относится к упаковке молекул внутри любого вещества (газа, жидкости или твердого тела), в то время как вязкость обычно описывается как толщина жидкости или полутвердого вещества. Иногда плотность и вязкость коррелируют друг с другом, а иногда расходятся. Например, мед более вязкий и густой, чем вода.
Масло же более вязкое, чем вода, но менее плотное.
В своем исследовании Шмерр, ведущий автор Максим Баллмер (Токийский технологический институт и Гавайский университет в Маноа) и двое его коллег использовали компьютерную модель упрощенной Земли. Каждый запуск модели начинался с немного разного химического состава — и, следовательно, разного диапазона плотностей — в мантии на разных глубинах.
Затем исследователи использовали модель, чтобы исследовать, как плиты океанской коры будут вести себя, когда они спускаются в нижнюю мантию.
В реальном мире наблюдается одно из трех поведения плит: плиты либо останавливаются на расстоянии около 600 километров, либо останавливаются на границе мегаметра, либо продолжают опускаться до нижней части мантии.
Из множества сценариев химического состава мантии, протестированных исследователями, один наиболее напоминал реальный мир и включал возможность остановки плит на границе мегаметра. Этот сценарий включал повышенное количество плотных, богатых кремнием базальтовых пород в нижней мантии, ниже мегаметровой границы.
Лекич, ведущий автор Макс Рудольф (Государственный университет Портленда) и другой коллега использовали другой подход, начав вместо этого со спутниковых измерений всей Земли. Затем команда вычла особенности поверхности, такие как горные хребты и долины, чтобы лучше увидеть небольшие различия в основной форме Земли, вызванные локальными различиями в гравитации. (Представьте слегка деформированный баскетбольный мяч со снятой внешней крышкой.)
Команда сопоставила эти небольшие различия в идеализированной форме Земли с известными формами и местоположением мантийных плюмов и интегрировала данные в модель, которая помогла им связать идеализированную форму с различиями в вязкости между слоями мантии. Их результаты указали на менее вязкую, более сыпучую мантийную породу над границей мегаметра, переходящую в высоковязкую породу ниже границы.
Их результаты помогают объяснить, почему мантийные плюмы часто отклоняются в сторону, поскольку они выходят вверх за границу мегаметра.
«Объясняя одну загадку — поведение поднимающихся шлейфов и опускающихся плит — наши результаты приводят к новой загадке», — сказал Лекич. "Что заставляет камни ниже границы мегаметра стать более устойчивыми к потоку?? Нет очевидных кандидатов на то, что вызывает это изменение, поэтому есть потенциал для изучения чего-то принципиально нового о материалах, из которых состоит Земля."
Лекич и Шмерр планируют сотрудничать, чтобы увидеть, согласуются ли результаты обоих исследований друг с другом — фактически, является ли нижняя мантия одновременно плотной и вязкой, как мед, по сравнению с мантией над границей мегаметра.
«Эта работа может многое рассказать нам о том, где была Земля и куда она идет, с точки зрения тепла и тектоники», — сказал Шмерр. "Когда мы смотрим на нашу солнечную систему, мы видим множество планет на разных стадиях эволюции. Но Земля уникальна, поэтому очень важно знать, что происходит глубоко внутри ее мантии."