Размер зерен горных пород в мантии Земли влияет на тектонику

Прочитано: 51 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Оценок пока нет)
Loading ... Loading ...


Планета формируется силами глубоко в ее недрах. Они толкают плиты земной коры друг к другу, в результате чего вдоль зон столкновения образуются горы и вулканы. Но при реконструкции того, что именно происходит внутри Земли, мы ограничиваемся косвенным наблюдением; например, проводя эксперименты с давлением на породах из мантии Земли или анализируя сейсмические волны, вызванные землетрясениями.

Планета формируется силами глубоко в ее недрах

Тем не менее, все эти наблюдения дают лишь моментальные снимки. Если мы хотим понять динамику того, что произошло за несколько миллионов лет, нам нужны компьютерные модели, способные имитировать геологические процессы в быстром движении. Вводя вышеупомянутые данные наблюдений и физические формулы в эти модели, исследователи могут показать, как со временем меняются поверхность и недра Земли.

Однако здесь есть недостаток: каждая модель основана на упрощениях и поэтому подвержена ошибкам. Факторы, которые на первый взгляд могут показаться не особенно важными, также могут сыграть ключевую роль, как показывает новое исследование, опубликованное в журнале Nature Geoscience группой структурной геологии и тектоники Департамента наук о Земле ETH. С помощью своих новых симуляций исследователи могут показать, что в предыдущих моделях не был должным образом учтен один важный фактор, хотя известно, что он имеет потенциальное влияние: размер зерен мантийных пород. Последние симуляции теперь показывают, насколько велико влияние размера зерна на самом деле.

Дислокация или диффузия?

Размер зерна имеет значение, потому что он влияет на то, как породы деформируются в верхней мантии. При размерах зерен в пределах нескольких миллиметров минералы в породах деформируются в основном за счет смещения кристаллической решетки минералов по плоскостям. Это приводит к тому, что известно как ползучесть дислокаций, которая считается наиболее важным механизмом деформации горных пород в мантии Земли.

Если, с другой стороны, размер зерна меньше, становится более важным другой механизм: диффузионная ползучесть. Затем породы деформируются не дислокациями в кристаллической решетке минералов, а отдельными атомными вакансиями в кристаллической решетке , мигрирующими по кристаллической структуре. В зависимости от того, какой механизм деформации преобладает, соответственно изменяется и прочность горных пород.

«Мелкозернистые породы образуются в основном в зонах сдвига и намного слабее, чем недеформированные крупнозернистые породы», — объясняет Йонас Рух, старший помощник в группе и ведущий автор исследования. «Но до сих пор мы не могли реалистично представить эти различия в динамической модели». Некоторые из предыдущих моделей учитывали только ползучесть дислокаций, что является чрезмерным упрощением. Другие модели используют постоянные размеры зерен для пород верхней мантии , что также не отражает этого фактора.

Рух рассмотрел недавние исследования других групп, а также лабораторные эксперименты своей собственной исследовательской группы для своей новой модели. «В частности, мы внедрили новую модель роста основного минерала — оливина», — объясняет он. «И, основываясь на новом исследовании, теперь мы также знаем, что на уменьшение размера зерна уходит значительно меньше механической энергии, чем считалось ранее». Если принять во внимание эти новые данные, процессы в мантии Земли можно моделировать гораздо более реалистично.

Противоречие разрешается само собой

Ру смог показать, что уменьшение размера зерен, активация диффузионной ползучести и последующее ослабление самой верхней мантии значительно снижает граничные силы, необходимые для инициирования рифтогенеза, и способствует расколу континентов.

Однако новое исследование было вызвано другой, казалось бы, парадоксальной особенностью тектоники плит: самая верхняя область мантии Земли должна быть относительно твердой, так как это единственное объяснение того, почему тектонические плиты , задвинутые под другую плиту, не погружаются в нее. глубины под более крутым углом.

Но если эта область мантии настолько прочна, как того требует геометрия опускающихся плит, то породы в самых верхних слоях мантии должны быть хрупкими ввиду господствующих там главных напряжений. Из этого следует, что в этой области мантии Земли должны были бы происходить землетрясения, которые периодически снимали бы напряжение. Однако наблюдения таких землетрясений на сегодняшний день крайне редки.

Новая модель теперь разрешает парадокс: «Мелкозернистые, пластичные зоны сдвига снижают высокие напряжения до такой степени, что землетрясения больше не могут происходить», — объясняет Рух. «В то же время самая верхняя часть мантии Земли остается достаточно прочной, чтобы соответствовать наблюдаемой геометрии изгиба опускающихся плит в зонах столкновения».

Размер зерен горных пород в мантии Земли влияет на тектонику



Новости партнеров