佛羅里達(dá)州立大學(xué)地球，海洋和大氣科學(xué)系的地質(zhì)學(xué)家發(fā)現(xiàn)了地球上地幔中富含碳的熔融巖石如何影響地震波的運動。

這項新研究是由EOAS地質(zhì)學(xué)副教授Mainak Mookherjee和博士后研究員Suraj Bajgain共同撰寫的。這項研究的結(jié)果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。

穆克吉說：“這項研究非常重要，因為碳是行星宜居性的關(guān)鍵組成部分，我們正在大步了解固體地球如何在存儲和影響地球表面碳的可利用性方面發(fā)揮作用。” 。“我們的研究使我們對這些巖石的彈性，密度和可壓縮性及其在地球碳循環(huán)中的作用有了更好的理解。”

碳是生命的主要組成部分之一，廣泛分布在地球的上地幔中，大部分以碳酸鹽礦物的形式存儲，作為地幔巖石中的輔助礦物。當(dāng)富含碳酸鹽的巖漿在表面噴發(fā)時，其獨特的泥狀外觀便引人注目。這些類型的噴發(fā)發(fā)生在世界各地的特定位置，例如坦桑尼亞的Ol Doinyo Lengai火山。

專家認(rèn)為，巖石中碳酸鹽的存在會大大降低碳酸鹽融化的溫度。通過稱為俯沖的過程沉入地球內(nèi)部的碳酸鹽可能導(dǎo)致地球上地幔巖石的這種低度融化，這在行星的深層碳循環(huán)中起著重要作用。

穆克吉說：“地球的地幔在增加的深度處具有較少的游離氧。” “隨著地幔對流過程中地幔上升，在較深的深度處被還原或氧氣較少的緩慢運動的巖石在較淺的深度處逐漸被氧化。地幔中的碳很可能在較深的深度被還原。地幔上升時，地球被氧化。”

這種與深度有關(guān)的氧化態(tài)的變化可能會導(dǎo)致地幔巖石融化，這一過程稱為氧化還原融化，可能會產(chǎn)生富含碳的熔融巖石，也稱為熔體。他說，這些熔體可能會影響巖石的物理性質(zhì)，可以使用諸如地震波之類的地球物理探針進(jìn)行檢測。

在進(jìn)行這項研究之前，地質(zhì)學(xué)家對這些碳酸鹽誘導(dǎo)的部分熔體的彈性性質(zhì)了解甚少，這使其很難直接檢測出來。

地質(zhì)學(xué)家用來更好地理解其科學(xué)的一組線索是地震波在穿過地球各層時的測量。一種稱為壓縮波的地震波要快于另一種稱為剪切波的地震波，但在距地球約180至330公里的深度處，它們的速度之比甚至比典型的還要高。

Mookherjee說：“壓縮波與剪切波之比的升高是一個難題，利用我們的研究結(jié)果，我們能夠解釋這一令人困惑的觀察結(jié)果。”

研究人員解釋說，少量的富含碳的熔體(約占0.05%)可能遍及地球深處的上地幔，這可能導(dǎo)致壓縮聲速與剪切聲速之比升高。

為了進(jìn)行這項研究，研究人員對碳酸鹽礦物白云巖的巖心進(jìn)行了高壓超聲測量和密度測量。這些實驗輔以理論模擬，以提供對碳酸鹽熔體基本物理性質(zhì)的新理解。

Bajgain說：“我們一直在試圖了解水性流體的彈性和傳輸特性，硅酸鹽熔體和金屬熔體的特性，以便更好地了解深層固體土中存儲的揮發(fā)物的質(zhì)量。”

這些發(fā)現(xiàn)意味著，地幔中部分熔融的巖石可以容納多達(dá)百萬分之八十至一百四十的碳，這在上地幔深部區(qū)域?qū)槎寥Я偃f吉比特的碳，使其成為一個重要的碳儲庫。相比之下，地球大氣中的碳含量剛好超過410 ppm，即約870吉噸。