Ученые обращаются к изверженному морскому стеклу - лаве, которая излилась в океан и была мгновенно охлаждена окружающей водой - для измерения температуры Земли.
Если бы океаны Земли были полностью осушены, они обнажили бы огромную цепь подводных вулканов, извивающихся вокруг планеты.
Эта обширная система океанских хребтов является продуктом опрокидывания материала в недрах Земли, где температура кипения может расплавить и поднять горные породы сквозь земную кору, расщепив морское дно и изменив форму поверхности планеты за сотни миллионов лет.
Теперь геологи из Массачусетского технологического института проанализировали тысячи образцов изверженного материала вдоль океанских хребтов и проследили их химическую историю, чтобы оценить температуру недр Земли.
Их анализ показывает, что температура нижележащих океанических хребтов Земли относительно постоянна и составляет около 1350 градусов по Цельсию - примерно такая же высокая, как голубое пламя газовой плиты. Однако вдоль хребта есть «горячие точки», температура которых может достигать 1600 градусов по Цельсию, что сравнимо с температурой самой горячей лавы.
Результаты группы, опубликованные в Журнале геофизических исследований: Solid Earth, представляют собой температурную карту недр Земли вокруг океанских хребтов. С помощью этой карты ученые могут лучше понять процессы таяния, которые вызывают подводные вулканы, и то, как эти процессы могут влиять на скорость тектоники плит с течением времени.
«Конвекция и тектоника плит были важными процессами в формировании истории Земли», - говорит ведущий автор Стефани Браун Крейн, постдоктор кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS). «Знание температуры по всей этой цепочке имеет основополагающее значение для понимания планеты как теплового двигателя и того, чем Земля может отличаться от других планет и способна поддерживать жизнь.”
Соавторы Крейна включают Закари Молитора, аспиранта EAPS, и Тимоти Гроува, профессора геологии Р. Р. Шрока в Массачусетском технологическом институте.
История химии
Внутренняя температура Земли играла решающую роль в формировании поверхности планеты на протяжении сотен миллионов лет. Но не было никакого способа напрямую измерить эту температуру в десятках или сотнях километров под поверхностью. Ученые применили косвенные методы для определения температуры верхней мантии - слоя Земли прямо под земной корой. Но оценки до сих пор неубедительны, и ученые расходятся во мнениях относительно того, насколько сильно колеблются температуры под поверхностью.
Для своего нового исследования Керин и ее коллеги разработали новый алгоритм под названием ReversePetrogen, предназначенный для отслеживания химической истории горной породы в прошлом, определения ее исходного состава элементов и определения температуры при который порода изначально расплавилась под поверхностью.
Алгоритм основан на многолетних экспериментах, проведенных в лаборатории Гроува для воспроизведения и описания процессов плавления недр Земли. Исследователи в лаборатории нагревали породы различного состава, достигая различных температур и давлений, чтобы наблюдать за их химической эволюцией. На основе этих экспериментов команда смогла вывести уравнения - и, в конечном счете, новый алгоритм - для прогнозирования взаимосвязей между температурой, давлением и химическим составом породы.
Крейн и ее коллеги применили свой новый алгоритм к горным породам, собранным вдоль океанических хребтов Земли - системы подводных вулканов протяженностью более 70 000 километров. Океанические хребты - это регионы, где тектонические плиты раздвигаются в стороны в результате извержения материала из мантии Земли - процесс, обусловленный глубинными температурами.
«Вы могли бы эффективно создать модель температуры всего недра Земли, частично основываясь на температуре на этих хребтах», - говорит Крейн.«Вопрос в том, что на самом деле говорят нам данные об изменении температуры мантии по всей цепочке?»
Карта мантии
Данные, которые проанализировала команда, включают более 13 500 образцов, собранных по всей длине системы океанских хребтов за несколько десятилетий в ходе нескольких исследовательских экспедиций. Каждый образец в наборе данных представляет собой извергнутое морское стекло - лаву, которая излилась в океан и была мгновенно охлаждена окружающей водой до нетронутой, сохранившейся формы.
Ученые ранее определили химический состав каждого стекла в наборе данных. Крейн и ее коллеги проверили химический состав каждого образца с помощью своего алгоритма, чтобы определить температуру, при которой каждое стекло первоначально плавилось в мантии.
Таким образом, команда смогла создать карту температур мантии по всей длине системы океанских хребтов. Из этой карты они заметили, что большая часть мантии относительно однородна, со средней температурой около 1350 градусов по Цельсию. Однако вдоль хребта есть «горячие точки» или регионы, где температура в мантии значительно выше, около 1600 градусов по Цельсию.
«Люди думают о горячих точках как об областях в мантии, где горячее, и где материал может таять больше и потенциально подниматься быстрее, и мы точно не знаем, почему и насколько они горячее., или какова роль композиции в горячих точках», - говорит Крейн. «Некоторые из этих горячих точек находятся на хребте, и теперь мы можем получить представление о глобальном изменении горячих точек, используя эту новую технику. Это говорит нам кое-что фундаментальное о температуре Земли сейчас, и теперь мы можем думать о том, как она менялась с течением времени».
Крейн добавляет: «Понимание этой динамики поможет нам лучше определить, как континенты росли и развивались на Земле, и когда началась субдукция и тектоника плит, что имеет решающее значение для сложной жизни».
Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом.
Перепечатано с разрешения MIT News. Прочтите исходную статью.