Geolodzy dokumentują, jak bogata w węgiel stopiona skała w górnym płaszczu ziemskim może wpływać na ruch fal sejsmicznych

Przemysław Maksymowicz

Geolodzy dokumentują, jak bogata w węgiel stopiona skała w górnym płaszczu ziemskim może wpływać na ruch fal sejsmicznych

Ol Doinyo Lengai to jeden z najbardziej niezwykłych wulkanów na świecie. Do jego erupcji dochodzi pomiędzy nagłymi eksplozjami magmy krzemianowej oraz biernymi wylewami lawy natrokarbonatytowej. W 2007 roku skorupa zasklepiająca przez dwadzieścia cztery lata krater wulkanu uległa nagłemu wybuchowi, czyniąc wyrwę o szerokości trzystu metrów, a dwa lata później wznowił on swoją aktywność poprzez wylewy strumieni lawy. Standardowe badania dna krateru były dotychczas skutecznie utrudniane przez niezwykle trudny dostęp i dlatego badacze musieli opracować nowoczesne techniki, które umożliwiły w 2019 roku pobranie kolejnych próbek lawy1. Zakonserwowane przez środek osuszający próbki natrokarbonatytu pozwalają zgłębiać pochodzenie tego rodzaju magmy bogatej w węgiel, która znajduje się w górnej warstwie płaszcza ziemskiego. Warstwa ta składa się w 55–60% z oliwinu, kilkudziesięciu procent piroksenu oraz kilku procent tlenku wapnia i tlenku glinu. Dominuje tu perydotyt, składający się głównie z różnych proporcji minerałów: oliwinu, klinopiroksenu i ortopiroksenu należących do grupy krzemianów oraz z fazy glinowej2.

Geolodzy z Wydziału Nauk o Ziemi, Oceanach i Atmosferze na Uniwersytecie Stanowym Florydy opublikowali w czasopiśmie „PNAS” kolejne odkrycia dotyczące roztopionych węglanów płaszcza ziemskiego. Węgiel występuje powszechnie w górnej części płaszcza ziemskiego i jest tu magazynowany jako minerały węglanowe związane w skałach. Podczas gdy większość law jest bogata w minerały krzemianowe, lawy natrokarbonatytu z Ol Doinyo Lengai są bogate w rzadkie minerały węglanu sodu i potasu oraz nyerereit Na2Ca(CO3)2 i gregoryt (Na2,K2,Ca)CO3. Wypływająca na powierzchnię magma z dużą zawartością węglanów ma charakterystyczny wygląd przypominający błoto, co jest rzadko spotykanym zjawiskiem, dodatkowo węglany obniżają temperaturę topnienia gorącej skały. Jest ona tak niska, że ​​stopiona lawa wydaje się czarna w przeciwieństwie do typowego dla większości law koloru gorejącej czerwieni, doprowadzając do erupcji już przy temperaturze 400°C. Wpychane w procesach tektonicznych do głębszych warstw Ziemi węglany powodują łatwiejsze roztopienie skał górnego płaszcza, które będą się tutaj szybciej upłynniać ze względu na zależność procesów utleniania od zmiany głębokości. Węgiel zostaje zredukowany w głębszych warstwach płaszcza ziemskiego, natomiast utlenia się, gdy płynna skała będzie się unosić do górnych jego warstw w procesie konwekcji, co może odgrywać ważną rolę w podziemnym cyklu węgla naszej planety.

Profil gęstości w głąb Ziemi jest określony przez prędkość fal sejsmicznych. Gęstość wzrasta stopniowo w każdej warstwie, głównie z powodu ściskania skały na zwiększonych głębokościach. Nagłe zmiany gęstości występują, gdy zmienia się skład materiału. Fizyczne właściwości różnorodnego materiału składowego skał, takie jak sprężystość, można wykryć za pomocą sond geofizycznych wykorzystujących pomiary fal sejsmicznych na różnych głębokościach. Rodzaj fali sejsmicznych oraz stosunek ich prędkości kilkaset kilometrów pod powierzchnią ziemi, jak rozpatrują badacze, pozwala określić występowanie niewielkich ilości (około 0,05%) stopów skał bogatych w węglany. Mogą one występować w głębokich warstwach górnego płaszcza, co pozwala oszacować średnie stężenie węgla na poziomie 80–140 ppm, co stanowi z kolei 20–36 gigaton węgla i jest znaczącym rezerwuarem. Przy licznym wsparciu innych uniwersytetów oraz narodowych fundacji naukowych zostały przeprowadzone obliczenia za pomocą znajdującego się na Florydzie klastra obliczeniowego o wysokiej wydajności, a także w obiektach superkomputerowych narodowej fundacji naukowej Extreme Science and Engineering Discovery Environment. Dotychczasowe obserwacje umożliwiają wgląd w strukturę układu szczelin znajdujących się pod wulkanem oraz analizę natury samej erupcji, a użyte podczas badań techniki z powodzeniem można stosować w eksploracji innych wulkanów takich jak Nyiragongo w Demokratycznej Republice Konga. Jak podaje jeden ze współautorów, profesor Mainak Mookherjee, badania pozwalają lepiej zrozumieć elastyczność, gęstość i ściśliwość analizowanych skał oraz oszacować ich rolę w obiegu węgla na Ziemi, a także mogą przyczynić się do lepszego poznania zagrożeń naturalnych takich jak trzęsienia ziemi oraz wybuchy wulkanów3.

Przemysław Maksymowicz

 

Źródło zdjęcia: Wikimedia Commons

Ostatnia aktualizacja strony: 11.10.2020

 

Przypisy

  1. Por. K. Laxton, Collection of Lava Samples from Ol Doinyo Lengai, „Nature Reviews Earth & Environment” 2020, Vol. 1, s. 438 [dostęp 20 IX 2020].
  2. Por. P. Harris et al., Chemical Composition of the Upper Mantle, „Journal of Geophysical Research” 1967, Vol. 72, No. 24, s. 6359–6369 [dostęp 20 IX 2020].
  3. Por. M. Xu et al., High-Pressure Elastic Properties of Dolomite Melt Supporting Carbonate-Induced Melting in Deep Upper Mantle, „Proceedings of the National Academy of Sciences” 2020, Vol. 117 No. 31, s. 18285–18291 [dostęp 20 IX 2020].

Dodaj komentarz



Najnowsze wpisy

Najczęściej oglądane wpisy

Wybrane tagi