stringtranslate.com

Переработка земной коры

Модели динамики мантии
Понимание прогнозов динамики мантии помогает геологам предсказывать, где в конечном итоге окажется погруженная в толщу кора.

Рециклинг земной коры — это тектонический процесс, при котором поверхностный материал из литосферы рециклируется в мантию посредством субдукционной эрозии или расслоения . Субдукционные плиты переносят летучие соединения и воду в мантию, а также материал земной коры с изотопной сигнатурой, отличной от таковой в примитивной мантии. Выявление этой коровой сигнатуры в породах, полученных из мантии (таких как базальты срединно-океанических хребтов или кимберлиты ), является доказательством рециклинга земной коры.

Исторический и теоретический контекст

В период с 1906 по 1936 год сейсмологические данные были использованы Р. Д. Олдхэмом , А. Мохоровичичем , Б. Гутенбергом и И. Леманном, чтобы показать, что Земля состоит из твердой коры и мантии, жидкого внешнего ядра и твердого внутреннего ядра. [1] Развитие сейсмологии как современного инструмента для визуализации глубоких недр Земли произошло в 1980-х годах, [2] и вместе с этим возникло два лагеря геологов: сторонники конвекции во всей мантии [3] [4] и сторонники конвекции в слоистой мантии. [5] [6]

Сторонники конвекции в слоистой мантии считают, что конвективная активность мантии является слоистой, разделенной фазовыми переходами наиболее плотной упаковки минералов, таких как оливин , гранат и пироксен, в более плотные кристаллические структуры ( шпинель , а затем силикатный перовскит и постперовскит ). Плиты, которые погружаются, могут иметь отрицательную плавучесть из-за того, что они холодные со времени нахождения на поверхности и затопления водой, но этой отрицательной плавучести недостаточно, чтобы пройти через фазовый переход на глубине 660 км.

Сторонники конвекции всей мантии (простой) считают, что наблюдаемые различия в плотности мантии (которые, как предполагается, являются продуктами минеральных фазовых переходов) не ограничивают конвективное движение, которое движется через верхнюю и нижнюю мантию как единая конвективная ячейка. Субдуцирующие плиты способны перемещаться через фазовый переход длиной 660 км и собираться около дна мантии в «кладбище плит» и могут быть движущей силой конвекции в мантии локально [7] и в масштабах земной коры. [2]

Судьба субдуцированного материала

Конечная судьба материала земной коры является ключом к пониманию геохимического цикла , а также постоянных неоднородностей в мантии, апвеллинга и множества эффектов на состав магмы, плавление, тектонику плит, динамику мантии и тепловой поток. [8] Если плиты застревают на границе 660 км, как предполагает гипотеза слоистой мантии, они не могут быть включены в струи горячих точек, которые, как считается, возникают на границе ядро-мантия. Если плиты оказываются на «кладбище плит» на границе ядро-мантия, они не могут быть вовлечены в геометрию плоской субдукции плит. Динамика мантии, вероятно, является смесью двух гипотез конечных членов, что приводит к частично слоистой системе конвекции мантии.

Современное понимание структуры глубин Земли в основном основано на выводах из прямых и косвенных измерений свойств мантии с использованием сейсмологии , петрологии , изотопной геохимии и методов сейсмической томографии . Сейсмология в частности в значительной степени опирается на информацию о глубинной мантии вблизи границы ядро-мантия.

Доказательство

Сейсмическая томография

Хотя сейсмическая томография давала низкокачественные изображения [2] мантии Земли в 1980-х годах, изображения, опубликованные в редакционной статье 1997 года в журнале Science, ясно показали холодную плиту вблизи границы ядро-мантия, [9] как и работа, завершенная в 2005 году Хутко и др., показывающая сейсмическое томографическое изображение, которое может быть холодным, складчатым материалом плиты на границе ядро-мантия. [10] Однако фазовые переходы все еще могут играть роль в поведении плит на глубине. Шелларт и др. показали, что фазовый переход на глубине 660 км может служить для отклонения нисходящих плит. [11] Форма зоны субдукции также была ключом к тому, сможет ли геометрия плиты преодолеть границу фазового перехода. [12]

Минералогия также может играть свою роль, поскольку локально метастабильный оливин будет образовывать области положительной плавучести даже в холодной нисходящей плите, и это может привести к «остановке» плит при повышенной плотности фазового перехода 660 км. [13] Минералогия плиты и ее эволюция на глубине [14] изначально не были рассчитаны с использованием информации о скорости нагрева плиты, которая могла бы оказаться существенной для поддержания отрицательной плавучести достаточно долго, чтобы преодолеть фазовый переход 660 км. Дополнительная работа, выполненная Спасоевичем и др. [15], показала, что локальные минимумы в геоиде могут быть объяснены процессами, которые происходят внутри и вокруг кладбищ плит, как указано в их моделях.

Стабильные изотопы

Понимание того, что различия между слоями Земли не только реологические , но и химические, необходимо для понимания того, как мы можем отслеживать движение материала земной коры даже после того, как он был субдуцирован. После того, как порода переместилась на поверхность Земли из-под коры , ее можно взять на пробу для определения ее стабильного изотопного состава . Затем ее можно сравнить с известными изотопными составами земной коры и мантии, а также с составом хондритов , которые, как считается, представляют собой исходный материал, образовавшийся в результате формирования Солнечной системы в практически неизмененном состоянии.

Одна группа исследователей смогла оценить, что от 5 до 10% верхней мантии состоит из переработанного материала земной коры. [16] Кокфельт и др. завершили изотопное исследование мантийного плюма под Исландией [17] и обнаружили, что извергнутые мантийные лавы включают в себя компоненты нижней земной коры, что подтверждает переработку земной коры на локальном уровне.

Некоторые карбонатитовые образования, которые связаны с несмешивающимися магмами, богатыми летучими веществами [18], и индикаторным минералом мантии алмазом , показали изотопные сигналы органического углерода, который мог быть привнесен только субдуцированным органическим материалом. [19] [20] Работа, проделанная на карбонатитах Уолтером и др. [18] и другими [4], дополнительно развивает магмы на глубине как полученные из обезвоживающегося материала плит.

Изотопные характеристики магм δ34S также использовались для измерения степени переработки земной коры в течение геологического времени. [ 21]

Ссылки

  1. ^ Лоури, В. (2007). Основы геофизики (2-е изд.). Cambridge University Press. стр. 121. ISBN 978-0-521-67596-3. Получено 24 ноября 2011 г.
  2. ^ abc Керр, РА (1997). «Геофизика: глубоко погружающиеся плиты перемешивают мантию». Science . 275 (5300): 613–615. doi :10.1126/science.275.5300.613. S2CID  129593362.
  3. ^ Гурнис, М. (1988). «Крупномасштабная мантийная конвекция и агрегация и рассеивание суперконтинентов». Nature . 332 (6166): 695–699. Bibcode :1988Natur.332..695G. doi :10.1038/332695a0. S2CID  4233351.
  4. ^ ab Bercovici, D. ; Karato, SI (2003). "Конвекция во всей мантии и фильтр воды переходной зоны". Nature . 425 (6953): 39–44. Bibcode :2003Natur.425...39B. doi :10.1038/nature01918. PMID  12955133. S2CID  4428456.
  5. ^ Альбареде, Ф.; Ван дер Хильст, Р. Д. (2002). «Зональная мантийная конвекция». Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 360 (1800): 2569–92. Bibcode : 2002RSPTA.360.2569A. doi : 10.1098/rsta.2002.1081. PMID  12460481. S2CID  1404118.
  6. ^ Огава, М. (2003). «Химическая стратификация в двумерной конвектирующей мантии с магматизмом и движущимися плитами». Журнал геофизических исследований . 108 (B12): 2561. Bibcode : 2003JGRB..108.2561O. doi : 10.1029/2002JB002205 .
  7. ^ Forte, AM; Mitrovica, JX; Moucha, R.; Simmons, NA; Grand, SP (2007). «Опускание древней плиты Фараллон приводит в движение локализованный поток мантии под сейсмической зоной Нью-Мадрид». Geophysical Research Letters . 34 (4): L04308. Bibcode : 2007GeoRL..34.4308F. doi : 10.1029/2006GL027895 . S2CID  10662775.
  8. ^ Лэй, Т. (1994). «Судьба нисходящих плит». Annual Review of Earth and Planetary Sciences . 22 : 33–61. Bibcode : 1994AREPS..22...33L. doi : 10.1146/annurev.ea.22.050194.000341. S2CID  53414293.
  9. ^ Керр, Ричард А. (31 января 1997 г.). «Глубоко погружающиеся плиты шевелят мантию». Science . 275 (5300): 613–615. doi :10.1126/science.275.5300.613. S2CID  129593362.
  10. ^ Hutko, AR; Lay, T.; Garnero, EJ; Revenaugh, J. (2006). «Сейсмическое обнаружение складчатой, субдуцированной литосферы на границе ядра и мантии». Nature . 441 (7091): 333–336. Bibcode :2006Natur.441..333H. doi :10.1038/nature04757. PMID  16710418. S2CID  4408681.
  11. ^ Schellart, WP (2004). "Кинематика субдукции и вызванного субдукцией течения в верхней мантии". Журнал геофизических исследований . 109 (B7): B07401. Bibcode : 2004JGRB..109.7401S. doi : 10.1029/2004JB002970 .
  12. ^ Берковичи, Д.; Шуберт, Г .; Такли, П.Дж. (1993). «О проникновении фазового перехода 660 км нисходящими потоками мантии». Geophysical Research Letters . 20 (23): 2599. Bibcode : 1993GeoRL..20.2599B. doi : 10.1029/93GL02691.
  13. ^ Marton, FC; Bina, CR; Stein, S.; Rubie, DC (1999). "Влияние минералогии плит на скорости субдукции" (PDF) . Geophysical Research Letters . 26 (1): 119–122. Bibcode :1999GeoRL..26..119M. doi : 10.1029/1998GL900230 .
  14. ^ Ganguly, J.; Freed, A.; Saxena, S. (2009). «Профили плотности океанических плит и окружающей мантии: комплексное термодинамическое и термическое моделирование и последствия для судьбы плит на границе 660 км». Physics of the Earth and Planetary Interiors . 172 (3–4): 257. Bibcode : 2009PEPI..172..257G. doi : 10.1016/j.pepi.2008.10.005.
  15. ^ Спасоевич, С.; Гурнис, М.; Сазерленд, Р. (2010). «Подъемы мантии над кладбищами плит, связанные с глобальными минимумами геоида». Nature Geoscience . 3 (6): 435. Bibcode :2010NatGe...3..435S. doi :10.1038/NGEO855. S2CID  56369721.
  16. ^ Купер, К. М.; Эйлер, Дж. М.; Симс, К. У. В.; Ленгмюр, Ч. Х. (2009). «Распределение переработанной коры в верхней мантии: выводы из изотопного состава кислорода MORB из австралийско-антарктического несоответствия». Геохимия, геофизика, геосистемы . 10 (12): н/д. Bibcode : 2009GGG....1012004C. doi : 10.1029/2009GC002728. hdl : 1912/3565 . S2CID  34164402.
  17. ^ Kokfelt, TF; Hoernle, KAJ; Hauff, F.; Fiebig, J.; Werner, R.; Garbe-Schönberg, D. (2006). "Комбинированные следовые элементы и изотопы Pb-Nd-Sr-O свидетельствуют о рециркулированной океанической коре (верхней и нижней) в исландском мантийном плюме". Journal of Petrology . 47 (9): 1705. Bibcode :2006JPet...47.1705K. doi : 10.1093/petrology/egl025 .
  18. ^ ab Walter, MJ; Bulanova, GP; Armstrong, LS; Keshav, S.; Blundy, JD; Gudfinnsson, G.; Lord, OT; Lennie, AR; Clark, SM; Smith, CB; Gobbo, L. (2008). «Первичный карбонатитовый расплав из глубоко погруженной океанической коры». Nature . 454 (7204): 622–625. Bibcode :2008Natur.454..622W. doi :10.1038/nature07132. hdl : 1983/9bb1d189-34c4-4484-8686-a8e85123ae6a . PMID  18668105. S2CID  4429507.
  19. ^ Riches, AJV; Liu, Y.; Day, JMD; Spetsius, ZV ; Taylor, LA (2010). "Субдуцированная океаническая кора как вместилище алмазов, выявленное с помощью гранатов мантийных ксенолитов из Нюрбинской, Сибирь". Литос . 120 ( 3–4): 368. Bibcode : 2010Litho.120..368R. doi : 10.1016/j.lithos.2010.09.006.
  20. ^ Щека, СС; Виденбек, М.; Фрост, DJ; Кепплер, Х. (2006). «Растворимость углерода в минералах мантии». Earth and Planetary Science Letters . 245 (3–4): 730. Bibcode : 2006E&PSL.245..730S. doi : 10.1016/j.epsl.2006.03.036 .
  21. ^ Хатчисон, Уильям; Бабиэль, Райнер Дж.; Финч, Адриан А.; Маркс, Майкл AW; Маркл, Грегор; Бойс, Адриан Дж.; Штюкен, Ева Э.; Фриис, Хенрик; Борст, Анук М.; Хорсбург, Никола Дж. (16 сентября 2019 г.). «Изотопы серы щелочных магм раскрывают долгосрочные записи переработки земной коры». Nature Communications . 10 (1): 4208. doi : 10.1038/s41467-019-12218-1 . ISSN  2041-1723. PMC 6746797 . Получено 30 сентября 2023 г. .