Recykling skorupy
Recykling skorupy ziemskiej to proces tektoniczny , w którym materiał powierzchniowy z litosfery jest zawracany do płaszcza w wyniku erozji subdukcyjnej lub rozwarstwienia . Płyty subdukcyjne przenoszą lotne związki i wodę do płaszcza, a także materiał skorupy ziemskiej o sygnaturze izotopowej innej niż w pierwotnym płaszczu. Identyfikacja tej sygnatury skorupy ziemskiej w skałach pochodzących z płaszcza (takich jak grzbietów śródoceanicznych lub kimberlity ) jest dowodem recyklingu skorupy ziemskiej.
Kontekst historyczny i teoretyczny
W latach 1906-1936 dane sejsmologiczne zostały wykorzystane przez RD Oldhama , A. Mohorovičicia , B. Gutenberga i I. Lehmanna, aby wykazać, że ziemia składa się ze stałej skorupy i płaszcza, płynnego jądra zewnętrznego i stałego, najbardziej wewnętrznego jądra. Rozwój sejsmologii jako nowoczesnego narzędzia do obrazowania głębokiego wnętrza Ziemi nastąpił w latach 80. XX wieku, a wraz z nim rozwinęły się dwa obozy geologów: zwolennicy konwekcji całego płaszcza i zwolennicy konwekcji płaszcza warstwowego.
Zwolennicy konwekcji płaszcza warstwowego utrzymują, że aktywność konwekcyjna płaszcza jest warstwowa, oddzielona przez najgęstsze upakowanie przejść fazowych minerałów, takich jak oliwin , granat i piroksen , do bardziej gęstych struktur krystalicznych ( spinelu , a następnie perowskitu krzemianowego i post-perowskitu ). Płyty, które są subdukowane, mogą mieć ujemną pływalność w wyniku zimna od czasu przebywania na powierzchni i zalania wodą, ale ta ujemna wyporność nie wystarcza, aby przejść przez 660-kilometrową zmianę fazową.
Zwolennicy konwekcji całopłaszczowej (prostej) utrzymują, że obserwowane różnice gęstości płaszcza (o których wnioskuje się, że są produktami przemian fazowych minerałów) nie ograniczają ruchu konwekcyjnego, który porusza się przez górny i dolny płaszcz jako pojedyncza komórka konwekcyjna. Subdukujące płyty są w stanie przejść przez 660-kilometrową zmianę faz i zebrać się w pobliżu dna płaszcza na „cmentarzysku płyt” i mogą być siłą napędową konwekcji w płaszczu lokalnie i na skalę skorupy ziemskiej.
Los subdukowanego materiału
Ostateczny los materiału skorupy ziemskiej jest kluczem do zrozumienia cykli geochemicznych , a także utrzymujących się heterogeniczności w płaszczu, upwellingu i niezliczonych wpływów na skład magmy, topnienie, tektonikę płyt, dynamikę płaszcza i przepływ ciepła. Jeśli płyty utkną na granicy 660 km, jak sugeruje hipoteza płaszcza warstwowego, nie można ich włączyć do pióropuszy gorących punktów, o których uważa się, że pochodzą z granicy rdzeń-płaszcz. Jeśli płyty znajdą się na „cmentarzysku płyt” na granicy rdzeń-płaszcz, nie mogą być zaangażowane w geometrię subdukcji płaskich płyt. Dynamika płaszcza jest prawdopodobnie mieszanką dwóch hipotez dotyczących członków końcowych, co skutkuje częściowo warstwowym systemem konwekcji płaszcza.
Nasze obecne rozumienie struktury głębokiej Ziemi opiera się głównie na wnioskach z bezpośrednich i pośrednich pomiarów właściwości płaszcza przy użyciu technik sejsmologii , petrologii , geochemii izotopów i tomografii sejsmicznej . W szczególności sejsmologia jest w dużym stopniu oparta na informacjach o głębokim płaszczu w pobliżu granicy rdzeń-płaszcz.
Dowód
Tomografia sejsmiczna
Chociaż tomografia sejsmiczna dawała niskiej jakości obrazy płaszcza Ziemi w latach 80. XX wieku, zdjęcia opublikowane w artykule redakcyjnym z 1997 r . ., przedstawiający obraz tomografii sejsmicznej, który może być zimnym, pofałdowanym materiałem płyty na granicy rdzeń-płaszcz. Jednak przemiany fazowe mogą nadal odgrywać rolę w zachowaniu płyt na głębokości. Schellart i in. wykazało, że przejście fazowe o długości 660 km może służyć do odchylania opadających płyt. Kształt strefy subdukcji miał również kluczowe znaczenie dla tego, czy geometria płyty może pokonać granicę przejścia fazowego.
Mineralogia może również odgrywać pewną rolę, ponieważ lokalnie metastabilny oliwin będzie tworzył obszary o dodatniej wyporności, nawet w zimnej opadającej płycie, co może powodować „zatrzymanie” płyt przy zwiększonej gęstości przejścia fazowego o długości 660 km. Mineralogia płyty i jej ewolucja na głębokości nie były początkowo obliczane z informacjami o szybkości nagrzewania się płyty, co może okazać się niezbędne do pomocy w utrzymaniu ujemnej pływalności wystarczająco długo, aby przebić zmianę fazową 660 km. Dodatkowe prace wykonane przez Spasojevic i in. wykazali, że lokalne minima w geoidzie można wytłumaczyć procesami zachodzącymi na cmentarzyskach płytowych i wokół nich, jak wskazano w ich modelach.
Stabilne izotopy
Zrozumienie, że różnice między warstwami Ziemi są nie tylko reologiczne , ale chemiczne, jest niezbędne do zrozumienia, w jaki sposób możemy śledzić ruch materiału skorupy ziemskiej nawet po jego subdukcji. Po przemieszczeniu się skały na powierzchnię ziemi spod skorupy , można pobrać próbki skały pod kątem jej stabilnego składu izotopowego . Można go następnie porównać do znanych składów izotopowych skorupy ziemskiej i płaszcza, a także chondrytów , które, jak się uważa, reprezentują pierwotny materiał z formowania się Układu Słonecznego w zasadniczo niezmienionym stanie.
Pewnej grupie naukowców udało się oszacować, że od 5 do 10% górnego płaszcza składa się z materiału pochodzącego z recyklingu skorupy ziemskiej. Kokfelt i in. zakończył badanie izotopowe pióropusza płaszcza pod Islandią i odkrył, że wybuchające lawy płaszcza zawierały niższe składniki skorupy ziemskiej, potwierdzając recykling skorupy ziemskiej na poziomie lokalnym.
Niektóre jednostki karbonatytu , które są związane z niemieszającymi się magmami bogatymi w substancje lotne i mineralnym diamentem wskaźnikowym płaszcza, wykazały sygnały izotopowe dla węgla organicznego, który mógł zostać wprowadzony jedynie przez subdukowany materiał organiczny. Prace nad karbonatytami przeprowadzone przez Waltera i in. a inni dalej rozwijają magmy na głębokości jako pochodzące z odwadniającego materiału płyty.