stringtranslate.com

Корковая переработка

Модели мантийной динамики
Понимание прогнозов динамики мантии помогает ученым-геологам предсказать, где в конечном итоге окажется субдуцированная кора.

Переработка земной коры — это тектонический процесс, в ходе которого поверхностный материал из литосферы перерабатывается в мантию путем субдукционной эрозии или расслаивания . Погружающиеся плиты переносят в мантию летучие соединения и воду, а также материал коры с изотопной подписью, отличной от изотопной подписи примитивной мантии. Идентификация этой коровой сигнатуры в породах мантийного происхождения (таких как базальты срединно-океанических хребтов или кимберлиты ) является доказательством переработки земной коры.

Историко-теоретический контекст

Между 1906 и 1936 годами сейсмологические данные были использованы Р. Д. Олдемом , 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 недр Земли произошло в 1980-х годах, [2] и вместе с этим возникли два лагеря геологов: сторонники цельномантийной конвекции [3] [4] и слоисто-мантийной конвекции. сторонники. [5] [6]

Сторонники многослойной мантийной конвекции утверждают, что конвективная активность мантии носит слоистый характер, разделенный фазовыми переходами плотной упаковки таких минералов, как оливин , гранат и пироксен, в более плотные кристаллические структуры ( шпинель , а затем силикатный перовскит и постперовскит ). Погружающиеся плиты могут иметь отрицательную плавучесть из-за того, что они были холодными с момента нахождения на поверхности и затопления водой, но этой отрицательной плавучести недостаточно для прохождения 660-километрового фазового перехода.

Сторонники цельмантийной (простой) конвекции утверждают, что наблюдаемые различия плотности мантии (которые предположительно являются продуктами минеральных фазовых переходов) не ограничивают конвективное движение, которое движется через верхнюю и нижнюю мантию как единую конвективную ячейку. Субдуцирующие плиты способны преодолевать 660-километровый фазовый переход и собираться у дна мантии на «кладбище плит» и могут быть движущей силой конвекции в мантии локально [7] и в масштабе земной коры. [2]

Судьба субдуктированного материала

Окончательная судьба материала земной коры является ключом к пониманию геохимического цикла , а также устойчивых неоднородностей в мантии, апвеллинга и множества эффектов на состав магмы, плавление, тектонику плит, динамику мантии и тепловой поток. [8] Если плиты застряли на границе 660 км, как предполагает гипотеза слоистой мантии, они не могут быть включены в шлейфы горячих точек, которые, как считается, возникают на границе ядра и мантии. Если плиты попадают на «кладбище плит» на границе ядра и мантии, они не могут быть вовлечены в геометрию субдукции плоских плит. Динамика мантии, вероятно, представляет собой смесь двух гипотез конечных членов, в результате чего образуется частично многослойная система мантийной конвекции.

Нынешнее понимание структуры недр Земли основывается главным образом на выводах, полученных на основе прямых и косвенных измерений свойств мантии с использованием методов сейсмологии , петрологии , изотопной геохимии и сейсмической томографии . В частности, сейсмология широко используется для получения информации о глубокой мантии вблизи границы ядра и мантии.

Доказательство

Сейсмическая томография

Хотя сейсмическая томография давала изображения низкого качества [2] мантии Земли в 1980-х годах, изображения, опубликованные в редакционной статье 1997 года в журнале Science, ясно показали холодную плиту вблизи границы ядра и мантии [9] , как и завершенные работы. в 2005 году Хутко и др., показавшие изображение сейсмической томографии, которое может представлять собой холодный складчатый материал плиты на границе ядра и мантии. [10] Однако фазовые переходы все еще могут играть роль в поведении плит на глубине. Шелларт и др. показали, что фазовый переход длиной 660 км может служить для отклонения опускающихся плит. [11] Форма зоны субдукции также сыграла ключевую роль в том, сможет ли геометрия плиты преодолеть границу фазового перехода. [12]

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

Стабильные изотопы

Понимание того, что различия между слоями Земли являются не только реологическими , но и химическими, необходимо для понимания того, как мы можем отслеживать движение материала земной коры даже после того, как она была погружена. После того, как горная порода переместилась на поверхность Земли из-под земной коры , у этой породы можно взять пробы на предмет ее стабильного изотопного состава . Затем его можно сравнить с известным изотопным составом 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 подсчитать, 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 включали в себя компоненты нижней коры, подтверждая рециркуляцию коры на локальном уровне.

Некоторые карбонатитовые подразделения, которые связаны с несмешивающимися, богатыми летучими магмами [18] и минералом-индикатором 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 другие [4] далее развивают магму на глубине как полученную из обезвоживаемого материала плит.

Изотопные характеристики магмы δ 34 S также использовались для измерения степени переработки земной коры в течение геологического времени. [21]

Рекомендации

  1. ^ Лоури, В. (2007). Основы геофизики (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 121. ИСБН 978-0-521-67596-3. Проверено 24 ноября 2011 г.
  2. ^ abc Керр, РА (1997). «Геофизика: глубоко погружающиеся плиты перемешивают мантию». Наука . 275 (5300): 613–615. дои : 10.1126/science.275.5300.613. S2CID  129593362.
  3. ^ Гурнис, М. (1988). «Крупномасштабная мантийная конвекция, агрегирование и рассеяние суперконтинентов». Природа . 332 (6166): 695–699. Бибкод : 1988Natur.332..695G. дои : 10.1038/332695a0. S2CID  4233351.
  4. ^ аб Берковичи, Д .; Карато, С.И. (2003). «Целомантийная конвекция и водный фильтр переходной зоны». Природа . 425 (6953): 39–44. Бибкод : 2003Natur.425...39B. дои : 10.1038/nature01918. PMID  12955133. S2CID  4428456.
  5. ^ Альбареде, Ф.; Ван дер Хильст, РД (2002). «Зональная мантийная конвекция». Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 360 (1800): 2569–92. Бибкод : 2002RSPTA.360.2569A. дои : 10.1098/rsta.2002.1081. PMID  12460481. S2CID  1404118.
  6. ^ Огава, М. (2003). «Химическая стратификация в двумерной конвективной мантии с магматизмом и движущимися плитами». Журнал геофизических исследований . 108 (B12): 2561. Бибкод : 2003JGRB..108.2561O. дои : 10.1029/2002JB002205 .
  7. ^ Форте, AM; Митровица, JX; Муча, Р.; Симмонс, Северная Каролина; Гранд, СП (2007). «Спуск древней плиты Фараллон приводит к возникновению локализованного мантийного потока ниже сейсмической зоны Нового Мадрида». Письма о геофизических исследованиях . 34 (4): L04308. Бибкод : 2007GeoRL..34.4308F. дои : 10.1029/2006GL027895 . S2CID  10662775.
  8. ^ Лэй, Т. (1994). «Судьба нисходящих плит». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 22 : 33–61. Бибкод : 1994AREPS..22...33L. doi : 10.1146/annurev.ea.22.050194.000341. S2CID  53414293.
  9. ↑ Керр, Ричард А. (31 января 1997 г.). «Глубоководные плиты шевелят мантию». Наука . 275 (5300): 613–615. дои : 10.1126/science.275.5300.613. S2CID  129593362.
  10. ^ Хутко, А.Р.; Лэй, Т.; Гарнеро, Э.Дж.; Ревена, Дж. (2006). «Сейсмическое обнаружение складчатой ​​субдуцированной литосферы на границе ядра и мантии». Природа . 441 (7091): 333–336. Бибкод : 2006Natur.441..333H. дои : 10.1038/nature04757. PMID  16710418. S2CID  4408681.
  11. ^ Шелларт, WP (2004). «Кинематика субдукционных и субдукционных течений в верхней мантии». Журнал геофизических исследований . 109 (Б7): B07401. Бибкод : 2004JGRB..109.7401S. дои : 10.1029/2004JB002970 .
  12. ^ Берковичи, Д.; Шуберт, Г .; Тэкли, Пи Джей (1993). «О проникновении мантийных нисходящих потоков в 660-километровый фазовый переход». Письма о геофизических исследованиях . 20 (23): 2599. Бибкод : 1993GeoRL..20.2599B. дои : 10.1029/93GL02691.
  13. ^ Мартон, ФК; Бина, ЧР; Штейн, С.; Руби, округ Колумбия (1999). «Влияние минералогии плит на скорость субдукции» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 26 (1): 119–122. Бибкод : 1999GeoRL..26..119M. дои : 10.1029/1998GL900230 .
  14. ^ Гангули, Дж.; Фрид, А.; Саксена, С. (2009). «Профили плотности океанических плит и окружающей мантии: комплексное термодинамическое и термическое моделирование, а также последствия для судьбы плит на разрыве 660 км». Физика Земли и недр планет . 172 (3–4): 257. Бибкод : 2009PEPI..172..257G. дои :10.1016/j.pepi.2008.10.005.
  15. ^ Спасоевич, С.; Гурнис, М.; Сазерленд, Р. (2010). «Мантийные апвеллинги над кладбищами плит связаны с глобальными геоидными минимумами». Природа Геонауки . 3 (6): 435. Бибкод : 2010NatGe...3..435S. дои : 10.1038/NGEO855. S2CID  56369721.
  16. ^ Купер, К.М.; Эйлер, Дж. М.; Симс, KWW; Ленгмюр, Швейцария (2009). «Распределение переработанной коры в верхней мантии: данные об изотопном составе кислорода MORB из австралийско-антарктического разногласия». Геохимия, геофизика, геосистемы . 10 (12): н/д. Бибкод : 2009GGG....1012004C. дои : 10.1029/2009GC002728. hdl : 1912/3565 . S2CID  34164402.
  17. ^ Кокфельт, Т.Ф.; Хорнле, KAJ; Хауф, Ф.; Фибиг, Дж.; Вернер, Р.; Гарбе-Шенберг, Д. (2006). «Комбинированные данные по изотопам микроэлементов и Pb-Nd-Sr-O для переработанной океанической коры (верхней и нижней) в мантийном плюме Исландии». Журнал петрологии . 47 (9): 1705. Бибкод : 2006JPet...47.1705K. doi : 10.1093/petrology/egl025 .
  18. ^ Аб Уолтер, MJ; Буланова, Г.П.; Армстронг, Л.С.; Кешав, С.; Бланди, Джей Ди; Гудфиннссон, Г.; Господь, ОТ; Ленни, Арканзас; Кларк, С.М.; Смит, CB; Гоббо, Л. (2008). «Первичный карбонатитовый расплав из глубоко погруженной океанической коры». Природа . 454 (7204): 622–625. Бибкод : 2008Natur.454..622W. дои : 10.1038/nature07132. hdl : 1983/9bb1d189-34c4-4484-8686-a8e85123ae6a . PMID  18668105. S2CID  4429507.
  19. ^ Богатство, AJV; Лю, Ю.; Дэй, JMD; Специус, З.В .; Тейлор, Луизиана (2010). «Субдуцированная океаническая кора как алмазоносные тела, обнаруженные по гранатам мантийных ксенолитов из Нюрбинской, Сибирь». Литос . 120 (3–4): 368. Бибкод : 2010Litho.120..368R. doi :10.1016/j.lithos.2010.09.006.
  20. ^ Щека, СС; Виденбек, М.; Фрост, диджей; Кепплер, Х. (2006). «Растворимость углерода в мантийных минералах». Письма о Земле и планетологии . 245 (3–4): 730. Бибкод : 2006E&PSL.245..730S. дои : 10.1016/j.epsl.2006.03.036 .
  21. ^ Хатчисон, Уильям; Бабиль, Райнер Дж.; Финч, Адриан А.; Маркс, Майкл AW; Маркл, Грегор; Бойс, Адриан Дж.; Стюкен, Ева Э.; Фриис, Хенрик; Борст, Анук М.; Хорсбург, Никола Дж. (16 сентября 2019 г.). «Изотопы серы щелочной магмы открывают долгосрочные рекорды переработки земной коры». Природные коммуникации . 10 (1): 4208. doi : 10.1038/s41467-019-12218-1 . ISSN  2041-1723. ПМЦ 6746797 . Проверено 30 сентября 2023 г.