Krustenrecycling - Crustal recycling
Krustenrecycling ist ein tektonischer Prozess, bei dem Oberflächenmaterial aus der Lithosphäre durch Subduktionserosion oder Delamination in den Erdmantel zurückgeführt wird . Die subduzierenden Platten tragen flüchtige Verbindungen und Wasser in den Mantel, sowie Krustenmaterial mit einer anderen Isotopensignatur als die des primitiven Mantels. Die Identifizierung dieser Krustensignatur in vom Mantel abgeleiteten Gesteinen (wie mittelozeanischen Rückenbasalten oder Kimberliten ) ist ein Beweis für das Recycling von Krusten.
Historischer und theoretischer Kontext
Zwischen 1906 und 1936 wurden seismologische Daten von RD Oldham , A. Mohorovičić , B. Gutenberg und I. Lehmann verwendet, um zu zeigen, dass die Erde aus einer festen Kruste und einem Mantel, einem flüssigen äußeren Kern und einem festen inneren Kern besteht. Die Entwicklung der Seismologie als modernes Werkzeug zur Abbildung des tiefen Erdinneren erfolgte in den 1980er Jahren und mit ihr entwickelten sich zwei Lager von Geologen: Ganzmantel-Konvektionsbefürworter und Schichtmantel-Konvektionsbefürworter.
Befürworter der Schichtmantelkonvektion sind der Ansicht , dass die konvektive Aktivität des Mantels geschichtet ist, getrennt durch Phasenübergänge mit der dichtesten Packung von Mineralien wie Olivin , Granat und Pyroxen zu dichteren Kristallstrukturen ( Spinell und dann Silikatperowskit und Postperowskit ). Subduzierte Platten können einen negativen Auftrieb aufweisen, da sie von ihrer Zeit an der Oberfläche und Überschwemmung mit Wasser kalt waren, aber dieser negative Auftrieb reicht nicht aus, um den 660-km-Phasenübergang zu durchlaufen.
Befürworter der (einfachen) Konvektion des gesamten Mantels sind der Ansicht, dass die beobachteten Dichteunterschiede des Mantels (die als Produkte von Mineralphasenübergängen gefolgert werden) die Konvektionsbewegung, die sich durch den oberen und unteren Mantel als eine einzige Konvektionszelle bewegt, nicht einschränken. Subduzierende Platten können sich durch den 660 km langen Phasenübergang bewegen und sich in der Nähe des Bodens des Mantels auf einem "Plattenfriedhof" sammeln und können die treibende Kraft für die Konvektion im Mantel lokal und im Krustenmaßstab sein.
Das Schicksal des subduzierten Materials
Das endgültige Schicksal von Krustenmaterial ist der Schlüssel zum Verständnis der geochemischen Zyklen sowie der anhaltenden Heterogenitäten im Mantel, des Auftriebs und der unzähligen Auswirkungen auf die Magmazusammensetzung, das Schmelzen, die Plattentektonik, die Manteldynamik und den Wärmefluss. Wenn Platten an der 660-km-Grenze abgestorben sind, wie die Schicht-Mantel-Hypothese nahelegt, können sie nicht in Hot-Spot-Plumes integriert werden, von denen angenommen wird, dass sie an der Kern-Mantel-Grenze entstehen. Wenn Platten auf einem "Plattenfriedhof" an der Kern-Mantel-Grenze landen, können sie nicht in die flache Plattensubduktionsgeometrie einbezogen werden. Die Manteldynamik ist wahrscheinlich eine Mischung der beiden Endelement-Hypothesen, was zu einem teilweise geschichteten Mantelkonvektionssystem führt.
Unser derzeitiges Verständnis der Struktur der tiefen Erde basiert hauptsächlich auf Schlussfolgerungen aus direkten und indirekten Messungen der Manteleigenschaften unter Verwendung von Seismologie , Petrologie , Isotopengeochemie und seismischen Tomographietechniken . Insbesondere die Seismologie wird für Informationen über den tiefen Mantel nahe der Kern-Mantel-Grenze stark herangezogen.
Beweise
Seismische Tomographie
Obwohl die seismische Tomographie in den 1980er Jahren minderwertige Bilder des Erdmantels produzierte, zeigten Bilder, die 1997 in einem redaktionellen Artikel in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurden, deutlich eine kühle Platte in der Nähe der Kern-Mantel-Grenze, wie auch die 2005 von Hutko et al ., zeigt ein seismisches Tomographiebild, das kaltes, gefaltetes Plattenmaterial an der Kern-Mantel-Grenze sein kann. Die Phasenübergänge können jedoch immer noch eine Rolle für das Verhalten von Platten in der Tiefe spielen. Schellartet al. zeigten, dass der 660-km-Phasenübergang dazu dienen kann, nach unten gehende Platten abzulenken. Die Form der Subduktionszone war auch entscheidend dafür, ob die Geometrie der Platte die Phasenübergangsgrenze überwinden konnte.
Auch die Mineralogie könnte eine Rolle spielen, da lokal metastabiles Olivin selbst in einer kalten, absteigenden Platte Bereiche mit positivem Auftrieb bildet, und dies könnte dazu führen, dass die Platten bei der erhöhten Dichte des 660-km-Phasenübergangs „herausragen“. Die Mineralogie der Platten und ihre Entwicklung in der Tiefe wurden ursprünglich nicht mit Informationen über die Erwärmungsrate einer Platte berechnet, was sich als wesentlich erweisen könnte, um den negativen Auftrieb lange genug aufrechtzuerhalten, um die 660 km lange Phasenänderung zu durchdringen. Zusätzliche Arbeiten von Spasojevic et al. zeigten, dass lokale Minima im Geoid durch die Prozesse erklärt werden können, die in und um Plattenfriedhöfe herum stattfinden, wie in ihren Modellen gezeigt.
Stabile Isotope
Zu verstehen, dass die Unterschiede zwischen den Erdschichten nicht nur rheologischer , sondern auch chemischer Natur sind, ist wichtig, um zu verstehen, wie wir die Bewegung von Krustenmaterial auch nach der Subduktion verfolgen können. Nachdem ein Gestein unter der Erdkruste an die Erdoberfläche gelangt ist, kann dieses Gestein auf seine stabile Isotopenzusammensetzung untersucht werden . Es kann dann mit bekannten Krusten- und Mantelisotopenzusammensetzungen sowie der von Chondriten verglichen werden, von denen verstanden wird, dass sie Originalmaterial aus der Entstehung des Sonnensystems in einem weitgehend unveränderten Zustand darstellen.
Eine Forschergruppe konnte schätzen, dass zwischen 5 und 10 % des oberen Mantels aus recyceltem Krustenmaterial bestehen. Kokfelt et al. schlossen eine isotopische Untersuchung der Mantelfahne unter Island ab und fanden heraus, dass ausgebrochene Mantellaven untere Krustenbestandteile enthielten, was das Krustenrecycling auf lokaler Ebene bestätigte.
Einige Karbonatit- Einheiten, die mit nicht mischbaren, flüchtigen Magmen und dem Mantelindikator-Mineral Diamant assoziiert sind , haben Isotopensignale für organischen Kohlenstoff gezeigt, der nur durch subduziertes organisches Material eingebracht worden sein könnte. Die Arbeiten zu Karbonatiten von Walter et al. und andere entwickeln die Magmen in der Tiefe weiter, da sie aus dem Entwässerungsplattenmaterial stammen.