The Superpile Cycle: the reorganisation of basal mantle structures coupled to the supercontinent cycle
Door middel van 24 driedimensionale mantelcirculatiemodellen stelt deze studie een "superpile-cyclus"-hypothese voor die aantoont dat de assemblage en het uiteenvallen van supercontinenten een cyclische reorganisatie van de basale mantelstructuren (LLSVPs) aandrijven, waarbij wordt afgewisseld tussen stabiele antipodale stapels en tijdelijke, wijdverspreide plume-activiteit tijdens dispersie.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Diep onder onze voeten is de aarde geen statische rotsbal, maar een kolkende, traag bewegende motor. Helemaal onderaan de mantel van de planeet, waar het hete gesteente het vaste kern ontmoet, hebben seismologen twee enorme, continentale brokken materiaal ontdekt die warmte anders transporteren dan het omringende gesteente. Deze staan bekend als large low shear-velocity provinces, of LLSVPs, en bevinden zich onder Afrika en de Stille Oceaan. Hoewel we weten dat ze bestaan, blijven hun oorsprong en gedrag een mysterie. Zijn het eeuwenoude hopen overgebleven materiaal uit de vorming van de planeet, of zijn het dynamische structuren die voortdurend worden hervormd door de beweging van het aardoppervlak? Het begrijpen van deze diepe structuren is cruciaal omdat ze waarschijnlijk bepalen waar de interne warmte van de aarde ontsnapt, wat op zijn beurt weer de beweging van tektonische platen en de vorming van vulkanen aanstuurt. Als deze diepe brokken stabiel zijn, fungeren ze als permanente ankers voor de interne motor van de planeet; als ze mobiel zijn, suggereren ze een veel chaotere en meer verbonden relatie tussen het oppervlak en het diepe binnenste.
Een team van onderzoekers aan Cardiff University heeft nu een nieuwe manier voorgesteld om deze diepe structuren te begrijpen, waarbij zij suggereren dat ze niet statisch zijn, maar deel uitmaken van een grote, herhalende cyclus die verbonden is met de assemblage en het uiteenvallen van supercontinenten. Om dit idee te testen, hebben de wetenschappers niet in de grond gegraven of gewacht tot een vulkaan zou uitbarsten. In plaats daarvan bouwden ze twintig vier verschillende digitale modellen van het binnenste van de aarde en draaiden deze op krachtige supercomputers om te simuleren hoe de mantel beweegt over honderden miljoenen jaren. Elk model begon met licht afwijkende omstandigheden, zoals variërende temperaturen bij de rand van de kern of een veranderende snelheid van de oppervlakteplaten, om ervoor te zorgen dat hun bevindingen robuust waren en niet slechts een toevalstreffer van één specifieke opstelling. Door te kijken naar hoe deze virtuele brokken heet gesteente door de tijd heen gedroegen, ontdekten de onderzoekers een patroon dat zij de "Superpile Cycle" noemen.
Het verhaal dat de modellen vertellen, begint met de vorming van een supercontinent, een tijd waarin alle landmassa's van de aarde verbonden zijn. Tijdens deze assemblagefase hebben de koude, zware oceanische platen die in de mantel zinken — bekend als subductie — de neiging om een ring rond de randen van het gigantische landmassief te vormen. Deze ring van zinkende platen werkt als een gigantische bezem die materiaal langs de bodem van de mantel veegt totdat het zich op twee afzonderlijke locaties aan de tegenovergestelde zijden van de wereld opstapelt. Deze hopen, die de onderzoekers "superpiles" noemen, worden stabiel en blijven op hun plaats terwijl het supercontinent bij elkaar blijft. In deze simulaties zien de hopen er opvallend veel uit als de echte LLSVPs onder Afrika en de Stiller Oceaan, wat suggereert dat de locatie van deze diepe structuren wordt bepaald door waar de continenten zich op het oppervlak bevinden.
De cyclus blijft echter niet voor altijd onbeweeglijk. Wanneer het supercontinent uiteindelijk uiteenvalt, verandert het patroon van de zinkende platen. Nieuwe subductiezones ontstaan op andere plaatsen en de oude, stabiele ring van zinkende platen wordt verstoord. Dit is wanneer het diepe binnenste van de aarde een "herschikkingsevenement" ondergaat. In de computermodellen veroorzaakt deze verstoring dat de ooit stabiele hopen hun vorm verliezen en migreren. Het materiaal dat netjes in twee hopen was verzameld, wordt rond de kern-mantelgrens geveegd, waardoor het chaotischer en meer verspreid raakt. De onderzoekers ontdekten dat deze reorganisatie tijd kost; nadat de oppervlakteplaten te beginnen bewegen, duurt het ongeveer 160 miljoen jaar voordat de zinkende platen de bodem bereiken en de hopen beginnen te verplaatsen, en nog eens 40 miljoen jaar voordat de hopen hun grootschalige vorm volledig hebben veranderd.
Deze diepe herschikking heeft een directe impact op het oppervlak. De modellen laten zien dat wanneer de hopen stabiel zijn, de hete pluimen van gesteente die vanuit de diepe mantel omhoog rijzen om vulkanen te creëren, de neiging hebben om zich dicht rond de randen van de hopen te clusteren. Maar tijdens de herschikkingsfase, wanneer de hopen worden geveegd en hervormd, worden deze oprijzende pluimen veel talrijker en meer verspreid over de wereldbol. De simulaties suggereren dat deze verspreide distributie het vormen van massieve vulkanische gebeurtenissen, bekend als Large Igneous Provinces, daadwerkelijk moeilijker kan maken. In plaats van één gigantische, gefocuste uitbarsting, wordt de warmte vrijgegeven op vele kleinere, verspreide locaties. Dit impliceert dat de meest spectaculaire vulkanische activiteit op aarde mogelijk gekoppeld is aan perioden waarin het diepe binnenste van de aarde in een staat van flux verkeert, in plaats van wanneer het kalm is.
De onderzoekers benadrukken dat hun conclusie gebaseerd is op deze simulaties, die de beste instrumenten zijn die we hebben om in de diepe aarde te kijken, maar dat ze geen perfecte kaart van de werkelijkheid zijn. De exacte timing van deze gebeurtenissen in de echte wereld zou kunnen verschillen omdat we de precieze viscositeit, of dikte, van de diepe mantel nog niet kennen. Echter, de volgorde van gebeurtenissen blijkt consistent te zijn over alle vierentwintig modellen, ongeacht de specifieke omstandigheden die werden gebruikt. De studie suggereert een nauw gekoppelde relatie: de continenten assembleren, de diepe hopen vormen zich en stabiliseren; de continenten vallen uiteen, de diepe hopen worden verstoord en herschikt; en naarmate de continenten weer bij elkaar komen, nestelen de hopen zich terug in hun stabiele posities. Deze cyclus koppelt de beweging van de oppervlakteplaten direct aan het gedrag van de diepste delen van de planeet, wat aantoont dat het oppervlak van de aarde en haar kern betrokken zijn bij een langzame, miljarden jaren durende conversatie.
Uiteindelijk biedt dit werk een nieuw perspectief op de geschiedenis van de aarde. Het suggereert dat de gigantische brokken aan de basis van de mantel geen eeuwenoude, onveranderlijke relikwieën zijn, maar dynamische kenmerken die meevariëren met de supercontinentcyclus. De stabiliteit van deze diepe structuren, en de vulkanische activiteit die zij voeden, wordt beheerst door dezelfde krachten die de continenten dwingen tot botsingen en scheidingen. Hoewel het artikel niet beweert elk mysterie van de diepe aarde te hebben opgelost, biedt het een overtuigend kader voor het begrijpen van hoe het oppervlak en het binnenste van de planeet met elkaar verbonden zijn, waardoor de diepe mantel verandert van een statisch decor naar een actieve deelnemer aan de langetermijn evolutie van de aarde.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.