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今天,构造板用于沉没比他们做得更多

更新时间:2018-05-15

em来自麻省理工学院的新研究表明,古代地球蕴藏着更高的地幔温度,这在汲取地球地壳碎片方面效率更高。 / em

板块构造塑造了几十亿年的地球表面:大陆和大洋地壳互相推动和拉动,不断重新整理地球的外观。当两块巨大的板块碰撞时,人们可以在另一个称为俯冲的过程中让路并滑入另一块板块。俯冲下来的平板然后滑落通过地球的粘性地幔,像一块平坦的石头通过一个蜂蜜池。

大多数情况下,今天的俯冲板块只能在地表以下670公里处下沉到地表以下约670公里,在地幔化妆从蜂蜜状稠化物转变为糊状物之前 - 对于大多数板块来说,它们过于密集,无法进一步穿透。科学家们怀疑这个密度滤波器存在于地球大部分历史的地幔中。

然而,现在,麻省理工学院的地质学家发现,这个密度边界在30亿年前的古代地球地幔中并不明显。在 em地球和行星科学快报中发表的论文中, / em研究人员指出,古代地球蕴藏着比现在高200摄氏度的地幔 - 在整个地幔层可能会酿造出更均匀,密度更低的物质。

研究人员还发现,与今天的岩石物质相比,古老的地壳由密度更高的物质组成,富含铁和镁。一个较热的地幔和较密集的岩石的组合可能导致俯冲板块一直沉到地表下2800公里的地幔底部,形成地球核心顶上的“坟场”。

他们的结果绘制出一幅与现在相比完全不同的俯冲图景,并且表明地球的古代地幔在汲取地球的地壳碎片方面效率更高。

“我们发现,大约30亿年前,甚至在过渡地带,俯冲板块仍然会比周围地幔更加致密,从浮力的角度来看,没有理由为什么板块会卡在那里。相反,他们应该总是沉入水中,这在今天是非常不常见的情况,“麻省理工学院地球,大气和行星科学系(EAPS)研究生的主要作者Benjamin Klein说。 “这似乎表明地球历史上发生了巨大的变化,就地幔对流和板块构造过程如何发生而言。”

Klein的合着者是EAPS副教授Oliver Jagoutz和Woods Hole海洋学研究所的Mark Behn。

温差

“有一个悬而未决的问题,即板块构造何时真正开始于地球历史,”克莱因说。 “普遍的共识是,这可能至少在30亿年前。这也是大多数模型表明地球处于最热的时候。“

大约30亿年前,地幔可能比现在温度高出150-200℃。 Klein,Jagoutz和Behn研究了地球内部较热的温度是否会影响一旦俯冲的构造板块如何穿过地幔。

“我们的工作是从这个想法的实验开始的,如果我们知道温度更热,那么如何调整构造看起来像什么,而不改变它的批发?”克莱因说。 “因为之前的辩论是这个二元论:无论是板块构造,还是没有,我们认为两者之间还有更多的空间。”

“密度翻转”

该团队进行了分析,假设板块构造的确在30亿年前形成了地球表面。他们期望将当时俯冲板块的密度与周围地幔的密度进行比较,其差异将决定板块沉没的程度。

为了估算古板块的密度,克莱因编制了一个超过1,400个先前分析过的现代岩石和科马提岩样本的大型数据集 - 大约30亿年前的经典岩石类型,但现在不再生产。与今天的洋壳相比,这些岩石含有更多的致密铁和镁。 Klein利用每个岩石样品的组成来计算典型俯冲板块的密度,现代和30亿年前都是如此。

然后,他估计了现代俯冲板块相对于周围地幔温度的平均温度。他推断,板坯下沉的距离不仅取决于其密度,还取决于其相对于地幔的温度:物体相对于周围环境越冷,其越快和越远应该下沉。

研究小组利用热力学模型来确定每个俯冲板块的密度剖面,或者在其穿过地幔时其密度如何变化,给定地幔的温度,这是他们从别人的估算中获得的,以及板坯温度的模型。从这些计算结果来看,他们确定了每块板块比周围地幔密度低的深度。

在这一点上,他们假设应该发生“密度翻转”,使得一块板不应该超过这个边界。

Klein说:“对于板块的运动以及地幔的对流,似乎存在着重要的过滤和控制。”

最后的安息之地

研究小组发现,他们对现代地幔边界出现在地表以下约670公里处的估计与今天对该过渡带的实际测量结果一致,从而证实他们的方法也可以准确估计古地球。

“今天,当板块进入地幔时,它们比上地幔和下地幔中的地幔密度更高,但在这个过渡地带,密度会翻转,”Klein说。 “因此,在这个小层中,板块比地幔密度小,并且很乐意呆在那里,几乎浮动和停滞。”

对于30亿年前的古代地球,研究人员发现,由于古代地幔比今天热得多,并且板块密集得多,所以密度倒置不会发生。相反,俯冲板块会直接沉入地幔的底部,将它们的最终安置地点建立在地球核心的正上方。

Jagoutz说,结果表明,在30亿年前和今天之间的某个时候,随着地球内部的冷却,地幔从一层对流系统转换为板块从地幔的上层到下层自由流动的双层对流系统,层状构造,其中板块穿透下部地幔的时间较难。

Jagoutz说:“这表明,当一颗行星开始降温时,这个边界即使始终存在,也会变成一个更加深刻的密度滤波器。” “我们不知道未来会发生什么,但从理论上讲,地球有可能从单层对流的一个主导体制发展到两个。这是整个地球演变的一部分。“

这项研究部分由国家科学基金会资助。

出版物:Benjamin Z.Klein等,“太古代地壳组成促进全地幔对流”,地球与行星科学快报,2017; doi.org/10.1016/j.epsl.2017.07.003

资料来源:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu

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