如果地球的海洋被完全排干，它們將顯露出一條巨大的海底火山鏈，在地球周圍蜿蜒而行。這個(gè)龐大的洋脊系統(tǒng)是地球內(nèi)部物質(zhì)翻轉(zhuǎn)的產(chǎn)物，在那里，沸騰的溫度可以融化并將巖石從地殼中向上翻起，在數(shù)億年的時(shí)間里分裂海底并重塑地球表面。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的地質(zhì)學(xué)家分析了數(shù)千個(gè)沿洋脊噴發(fā)的物質(zhì)樣本，并追溯它們的化學(xué)歷史，以估計(jì)地球內(nèi)部的溫度。

他們的分析表明，地球底層洋脊的溫度相對一致，大約為 1,350 攝氏度——大約與煤氣灶的藍(lán)色火焰一樣熱。然而，山脊上有一些“熱點(diǎn)”可以達(dá)到 1600 攝氏度，與最熱的熔巖相當(dāng)。

該團(tuán)隊(duì)的結(jié)果今天發(fā)表在《地球物理研究雜志：固體地球》上，提供了地球內(nèi)部洋脊周圍的溫度圖。有了這張地圖，科學(xué)家們可以更好地了解海底火山的融化過程，以及這些過程如何隨著時(shí)間的推移推動板塊構(gòu)造的步伐。

“對流和板塊構(gòu)造一直是塑造地球歷史的重要過程，”主要作者、麻省理工學(xué)院地球、大氣和行星科學(xué)系 (EAPS) 的博士后 Stephanie Brown Krein 說。“了解整個(gè)鏈條的溫度對于將地球理解為熱機(jī)以及地球與其他行星的不同之處以及能夠維持生命的方式至關(guān)重要。”

Krein 的合著者包括 EAPS 研究生 Zachary Molitor 和麻省理工學(xué)院 RR Schrock 地質(zhì)學(xué)教授 Timothy Grove。

化學(xué)史

數(shù)億年來，地球內(nèi)部溫度在塑造地球表面方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。但是沒有辦法直接讀取地表以下數(shù)十到數(shù)百公里的溫度?？茖W(xué)家們已經(jīng)應(yīng)用間接方法來推斷上地幔——地殼正下方的地球?qū)拥臏囟取５駷橹沟墓烙?jì)尚無定論，科學(xué)家們對地表下的溫度變化有多大意見不一。

在他們的新研究中，Kerin 和她的同事開發(fā)了一種名為 ReversePetrogen的新算法，該算法旨在追溯巖石的化學(xué)歷史，以確定其原始元素組成并確定巖石最初在地表以下熔化的溫度.

該算法基于 Grove 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的多年實(shí)驗(yàn)，以重現(xiàn)和表征地球內(nèi)部的熔化過程。實(shí)驗(yàn)室的研究人員加熱了不同成分的巖石，達(dá)到了不同的溫度和壓力，以觀察它們的化學(xué)演化。從這些實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠推導(dǎo)出方程式——最終，新算法——來預(yù)測巖石的溫度、壓力和化學(xué)成分之間的關(guān)??系。

Kerin 和她的同事將他們的新算法應(yīng)用于沿地球洋脊收集的巖石——一個(gè)長度超過 70,000 公里的海底火山系統(tǒng)。洋脊是構(gòu)造板塊因地幔物質(zhì)噴發(fā)而分開的區(qū)域——這個(gè)過程是由底層溫度驅(qū)動的。

“你可以有效地建立整個(gè)地球內(nèi)部溫度的模型，部分基于這些山脊的溫度，”Kerin 說。“問題是，關(guān)于整個(gè)地幔鏈上地幔溫度變化的數(shù)據(jù)究竟告訴了我們什么?”

地幔圖

該團(tuán)隊(duì)分析的數(shù)據(jù)包括幾十年來通過多次研究巡航沿洋脊系統(tǒng)收集的 13,500 多個(gè)樣本。數(shù)據(jù)集中的每個(gè)樣本都是噴發(fā)的海玻璃——熔巖在海洋中噴發(fā)，并立即被周圍的水冷卻成原始的保存形式。

科學(xué)家們之前確定了數(shù)據(jù)集中每種玻璃的化學(xué)成分。Kerin 和她的同事通過他們的算法運(yùn)行每個(gè)樣品的化學(xué)成分，以確定每個(gè)玻璃最初在地幔中熔化的溫度。

這樣一來，該小組能夠生成地圖沿著全長地幔溫度的海洋山脊系統(tǒng)。從這張地圖中，他們觀察到大部分地幔相對均質(zhì)，平均溫度約為 1,350 攝氏度。然而，沿著山脊存在“熱點(diǎn)”或區(qū)域，其中地幔中的溫度明顯更高，約為 1,600 攝氏度。

“人們認(rèn)為熱點(diǎn)是地幔中更熱的區(qū)域，那里的物質(zhì)可能融化得更多，并且可能上升得更快，我們不確切知道為什么，或者它們有多熱，或者成分的作用是什么在熱點(diǎn)，”Kerin 說。“其中一些熱點(diǎn)位于山脊上，現(xiàn)在我們可以使用這種新技術(shù)了解全球熱點(diǎn)的變化情況。這告訴我們一些關(guān)于地球溫度的基本信息，現(xiàn)在我們可以思考它是如何變化的隨著時(shí)間的推移而改變。”

Kerin 補(bǔ)充說：“了解這些動態(tài)將幫助我們更好地確定如何在地球上生長和演化，以及俯沖和板塊構(gòu)造何時(shí)開始——這對復(fù)雜的生命至關(guān)重要。”