Мантийная конвекция является движущей силой дрейфа континентов и вызывает землетрясения и извержения вулканов на поверхности. Через мантийную конвекцию материал из самой нижней части мантии Земли может подниматься на поверхность, что дает представление о составе глубин Земли. Ядро Земли очень горячее (~ 4000 К), а породы на границе ядра мантии нагреваются и расширяются, чтобы иметь меньшую плотность. Эти горячие породы (также называемые мантийными шлейфами) могли мигрировать на поверхность из-за плавучести.
Наблюдения, моделирование и прогнозы показали, что самая глубокая мантия сложна по составу и непрерывно взбалтывается и изменяется.«Сложные химические характеристики базальтов горячих точек свидетельствуют о том, что состав самой нижней части мантии Земли отличается от других частей. Главный вопрос, лежащий в основе этого исследования, заключается в том, как мантийные плюмы и различные композиционные компоненты в мантии Земли взаимодействуют друг с другом и как это взаимодействие приводит к сложному химическому составу базальтов в горячих точках. Ответ на этот вопрос очень важен для нас, чтобы понять природу мантийной конвекции », — объясняет ведущий автор Мингмин Ли, доктор философии. в геологических науках.
«Очевидно, что мы не можем зайти внутрь Земли, чтобы увидеть, что там происходит. Однако процесс мантийной конвекции должен соответствовать фундаментальным законам физики, таким как сохранение массы, импульса и энергии. Мы сделали только моделирование процесса — мантийная конвекция, решая уравнения, управляющие процессом мантийной конвекции », — говорит Ли.
Давно предполагалось, что мантия Земли содержит несколько резервуаров с различным составом, в том числе древний более примитивный резервуар в самой нижней части мантии, переработанную океаническую кору и обедненную фоновую мантию. Об этом свидетельствует сложная геохимия лавы, обнаруженной в горячих точках, таких как Гавайи. Различные компоненты состава горячей лавы могут происходить из этих различных мантийных резервуаров. Компоненты могут быть погружены в мантийные шлейфы и вынесены на поверхность, но неясно, как отдельные шлейфы могут последовательно отобрать каждый из этих резервуаров.
Вместе со своим советником Алленом Макнамарой, геодинамиком и доцентом Школы исследования Земли и космоса Университета штата Аризона, а также сейсмологом и профессором SESE Эдом Гарнеро, численные эксперименты Ли и его сотрудников показывают, что шлейфы действительно могут нести комбинацию различных материалов из нескольких водохранилища.Согласно моделированию, некоторая субдуцированная океаническая кора увлекается непосредственно в мантийные плюмы, но значительная часть коры — до 10 процентов — входит в более примитивные резервуары. В результате мантийные плюмы увлекают изменчивую комбинацию относительно молодой океанической коры непосредственно из субдуцирующей плиты, более старой океанической коры, перемешанной с более древним более примитивным материалом и фоновой обедненной мантией. Таким образом, круговорот океанической коры через мантийные резервуары может объяснить наблюдения за разным возрастом переработанной океанической коры и объяснить химическую сложность лав горячих точек.
«Наши расчеты занимают много времени — более одного месяца на один расчет, — но результаты того стоят», — говорит Ли.