Корковая переработка
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. Обнаружение этого признака земной коры в породах мантийного происхождения (таких как базальты срединно-океанических хребтов или кимберлиты ) является доказательством переработки земной коры.
Историко-теоретический контекст
[ редактировать ]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 цельмантийной конвекции. [3] [4] и сторонники слоисто-мантийной конвекции. [5] [6]
Сторонники многослойной мантийной конвекции утверждают, что конвективная активность мантии носит слоистый характер, разделенный плотнейшей упаковки фазовыми переходами таких минералов, как оливин , гранат и пироксен, в более плотные кристаллические структуры ( шпинель , а затем силикатный перовскит и постперовскит ). Погруженные 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 цельномантийской (простой) конвекции считают, 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 локально быть движущей силой конвекции в мантии. [7] и в масштабах земной коры. [2]
Судьба субдуктированного материала
[ редактировать ]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 плюмы горячих точек, которые, как считается, возникают на границе ядра и мантии. Если плиты оказываются 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 мантийная конвективная система.
Нынешнее понимание структуры недр Земли основано в основном на выводах, полученных на основе прямых и косвенных измерений свойств мантии с использованием методов сейсмологии , петрологии , изотопной геохимии и сейсмической томографии . В частности, на сейсмологию широко полагаются для получения информации о глубокой мантии вблизи границы ядра и мантии.
Доказательство
[ редактировать ]Сейсмическая томография
[ редактировать ]Хотя сейсмическая томография давала изображения низкого качества. [2] На изображениях мантии Земли в 1980-х годах, опубликованных в редакционной статье журнала Science в 1997 году , четко видна холодная плита вблизи границы ядра и мантии. [9] как и работа, завершенная в 2005 году Хутко и др., показавшая 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 плит и ее эволюция на глубине [14] изначально не были рассчитаны с учетом информации о скорости нагрева плиты, которая могла бы оказаться необходимой для поддержания отрицательной плавучести достаточно долго, чтобы преодолеть фазовый переход длиной 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
[ редактировать ]Понимание того, что различия между слоями Земли носят не только реологический , но и химический характер, необходимо для понимания того, как мы можем отслеживать движение материала земной коры даже после того, как он был погружен. После того, как горная порода переместилась на поверхность Земли из-под земной коры , у этой породы можно взять пробу 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. завершил изотопное исследование мантийного плюма под Исландией. [17] и обнаружили, что извергнутые мантийные лавы включали компоненты нижней коры, что подтверждает рециркуляцию коры на локальном уровне.
Некоторые карбонатитовые пачки, связанные с несмешивающимися, богатыми летучими магмами. [18] и мантийный индикаторный минерал алмаз продемонстрировали изотопные сигналы органического углерода, который мог быть привнесен только субдуцированным органическим материалом. [19] [20] Работа, проделанная по карбонатитам Уолтером и др. [18] и другие [4] дальнейшее развитие магмы на глубине происходит в результате обезвоживания плитного материала.
δ 34 S-изотопные характеристики магмы также использовались для измерения степени переработки земной коры в течение геологического времени. [21]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Лоури, В. (2007). Основы геофизики (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 121. ИСБН 978-0-521-67596-3 . Проверено 24 ноября 2011 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Керр, Р.А. (1997). «Геофизика: глубоко погружающиеся плиты перемешивают мантию». Наука . 275 (5300): 613–615. дои : 10.1126/science.275.5300.613 . S2CID 129593362 .
- ^ 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 .
- ^ Перейти обратно: а б 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 . ПМИД 12955133 . S2CID 4428456 .
- ^ 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 . ПМИД 12460481 . S2CID 1404118 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Керр, Ричард А. (31 января 1997 г.). «Глубоко погружающиеся плиты шевелят мантию». Наука . 275 (5300): 613–615. дои : 10.1126/science.275.5300.613 . S2CID 129593362 .
- ^ 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 . ПМИД 16710418 . S2CID 4408681 .
- ^ Шелларт, WP (2004). «Кинематика субдукционных и субдукционно-индуцированных течений в верхней мантии» . Журнал геофизических исследований . 109 (Б7): B07401. Бибкод : 2004JGRB..109.7401S . дои : 10.1029/2004JB002970 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Купер, КМ; 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 .
- ^ 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 .
- ^ Перейти обратно: а б 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 . ПМИД 18668105 . S2CID 4429507 .
- ^ 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 . дои : 10.1016/j.lithos.2010.09.006 .
- ^ 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 .
- ^ 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.