Un team guidato da geoscienziati dell'Arizona State University e della Michigan State University ha utilizzato la modellazione al computer per spiegare come si accumulano sacche di roccia pastosa al confine tra il nucleo terrestre e il mantello.

Queste tasche, mentendo circa 2, 900 chilometri (1, 800 miglia) sotto la superficie, sono noti da molti anni, ma in precedenza mancava una spiegazione su come si fossero formati.

I corpi rocciosi relativamente piccoli sono chiamati "zone a velocità ultra-bassa" perché le onde sismiche rallentano notevolmente mentre li attraversano. I geoscienziati hanno pensato che le zone fossero parzialmente fuse, tuttavia le tasche sono sconcertanti perché molte si osservano nelle regioni più fredde del mantello profondo.

"Si presume che queste piccole regioni siano una versione parzialmente fusa della roccia che le circonda, "dice Mingming Li, autore principale dello studio, pubblicato il 2 agosto 2017, nel diario Comunicazioni sulla natura . "Ma la loro distribuzione globale e le grandi variazioni di densità, forma, e le dimensioni suggeriscono che abbiano una composizione diversa dal mantello."

Li è entrato a far parte della Scuola di Esplorazione della Terra e dello Spazio (SESE) dell'ASU questo mese come assistente professore. Era uno studente laureato dell'ex professore associato SESE Allen McNamara, anche un coautore sulla carta; McNamara è ora al Dipartimento di Scienze della Terra e dell'Ambiente dello Stato del Michigan. I coautori aggiuntivi sono il professore SESE Edward Garnero e il suo studente di dottorato Shule Yu.

"Non sappiamo cosa siano le zone a velocità ultra-bassa, " dice McNamara. "O sono caldi, porzioni parzialmente fuse di mantello altrimenti normale, o sono tutt'altra cosa, qualche altra composizione."

Poiché l'evidenza sismica consente entrambe le possibilità, lui dice, "Abbiamo deciso di modellare la convezione del mantello tramite computer per verificare se le loro forme e posizioni possono rispondere alla domanda".

Le tasche si riferiscono ai blob?

Circa un anno fa, Garnero, McNamara, e il professore associato del SESE Dan Shim ha riferito che due gigantesche strutture di roccia nelle profondità della Terra sono probabilmente fatte di qualcosa di diverso dal resto del mantello. Chiamarono le grandi strutture "pali termochimici, "o più semplicemente, macchie.

"Anche se l'origine e la composizione di queste macchie sono sconosciute, " Garnero ha detto in quel momento, "sospettiamo che contengano importanti indizi su come si è formata la Terra e su come funziona oggi".

Di cosa sono fatti i grandi blob e come si sono formati rimangono ancora sconosciuti, dice Garnero. "Ma la nuova modellazione al computer spiega come queste zone a velocità ultra-bassa siano associate ai blob molto più grandi".

Li dice, "Le zone a velocità ultra-bassa sono generalmente alte circa decine di chilometri, e centinaia di chilometri di larghezza o meno. Si trovano per lo più vicino ai bordi delle macchie molto più grandi, ma alcuni di loro vengono rilevati sia all'interno delle macchie che ben lontano da esse."

Il risultato della modellazione al computer ha mostrato che la maggior parte di queste zone a velocità ultra-bassa ha una composizione diversa dal mantello circostante, Li dice. Cosa c'è di più, la modellazione ha mostrato che sacche di roccia con composizioni diverse migreranno da qualsiasi punto del confine nucleo-mantello verso i margini dei grandi blob.

"I margini delle pile termochimiche sono dove convergono i modelli di flusso del mantello, " dice McNamara, "e quindi queste aree forniscono un 'deposito di raccolta' per i tipi di roccia più densi".

Raccolti dal calore

La forza che guida questo movimento è il calore, che alimenta la convezione nel mantello.

Il mantello terrestre è fatto di roccia calda, ma si comporta più come un fondente che cuoce lentamente a fuoco lento su un fornello. Nel mantello, il calore proviene sia dalla radioattività all'interno della roccia del mantello che dal nucleo del pianeta, il cui centro è caldo quanto la superficie del Sole. La roccia del mantello risponde a questo calore con un lento movimento convettivo.

"I dettagli non sono del tutto chiari, ", dice Li. Ma la modellazione mostra che le rocce di diversa composizione rispondono alla convezione in un modo che riunisce materiali compositivamente simili. Questo sposta le piccole sacche di rocce chimicamente distinte ai bordi delle bolle più calde sopra il confine del nucleo-mantello.

"Abbiamo eseguito la modellazione computerizzata 3D ad alta risoluzione e abbiamo sviluppato un metodo per tracciare il movimento sia delle piccole sacche delle zone a velocità ultra-bassa che delle pile termochimiche molto più grandi". Li spiega, "Questo ci ha permesso di studiare come si muovono le piccole sacche e come le loro posizioni possono essere correlate alla loro origine".

McNamara dice, "Ciò che era nuovo nel nostro approccio, e anche computazionalmente impegnativo, era che la modellazione prendeva simultaneamente in considerazione scale di movimento molto diverse". Questi andavano da modelli di convezione su scala globale del mantello, ai grossi cumuli termochimici del mantello inferiore, e giù fino alle sacche su scala molto ridotta della zona a velocità ultra bassa nella parte inferiore.

"Quello che alla fine abbiamo trovato, " lui dice, "è che se le zone a velocità ultra-bassa sono causate dalla fusione di un mantello altrimenti normale, dovrebbero essere posizionati bene all'interno delle pile termochimiche, dove le temperature del mantello sono le più calde."

Ma aggiunge, "Se le sacche di roccia a velocità ultra-bassa hanno una composizione diversa dalla normale roccia del mantello, poi la convezione del mantello li porterebbe continuamente ai bordi dei cumuli dove si raccolgono.

"Questo è coerente con ciò che vediamo nelle osservazioni sismiche".

Rocce che si tuffano in profondità?

Da dove provengono in primo luogo i diversi materiali nel mantello profondo?

"Ci sono diverse possibilità, "Dice Garnero. "Alcuni materiali potrebbero essere associati alla precedente crosta oceanica basaltica che è stata subdotta profondamente. Oppure potrebbe essere associato a reazioni chimiche tra il fluido ricco di ferro del nucleo esterno e il mantello di silicato cristallino".

Garnero afferma che la provenienza originaria della roccia nelle zone a velocità ultra bassa è attualmente irrisolta. Ma il processo di raccolta di questo materiale in piccole sacche di roccia è chiaro.

"Si possono avere vari meccanismi, come la tettonica a placche, che spingono rocce di diversa chimica nel mantello più profondo di qualsiasi parte della Terra, " lui dice.

"Ma una volta che queste diverse rocce sono scese in profondità, la convezione vince e li trascina nelle regioni calde, vale a dire, dove risiedono le pile termochimiche di dimensioni continentali."