地殻のリサイクル

地殻リサイクルは、岩石圏の表面物質が沈み込み侵食または層間剥離によってマントルにリサイクルされる構造プロセスです。沈み込むスラブは揮発性化合物と水をマントルに運び、原始マントルとは異なる同位体シグネチャを持つ地殻物質も運びます。マントル由来の岩石（中央海嶺玄武岩やキンバーライトなど）にこの地殻シグネチャが特定されることは、地殻リサイクルの証拠となります。

1906年から1936年にかけて、RDオールダム、A.モホロビチッチ、B.グーテンベルク、I.レーマンは地震学のデータを用いて、地球が固体の地殻とマントル、流体の外核、固体の最内核で構成されていることを示しました。^[1]地球深部を画像化する現代的なツールとしての地震学の発展は1980年代に起こり、^{[2]それとともに、全マントル対流支持者[3] [4]}と層状マントル対流支持者^{[5] [6]}の2つの陣営の地質学者が生まれました。

層状マントル対流の支持者は、マントルの対流活動は層状であり、オリビン、ガーネット、輝石などの鉱物の最も密な 相転移からより密な結晶構造（スピネル、次にケイ酸塩ペロブスカイト、ポストペロブスカイト）への相転移によって区切られていると主張している。沈み込んだスラブは、地表にあった時間や水浸しによる冷えの結果として負の浮力を持つ可能性があるが、この負の浮力は660kmの相転移を通過するのに十分ではない。

マントル全体の（単純）対流の支持者は、マントルの観測された密度差（鉱物の相転移の結果であると推測される）は、対流運動を制限せず、単一の対流セルとして上部マントルと下部マントルを通過すると主張している。沈み込むスラブは、660 kmの相転移を通過してマントルの底近くの「スラブの墓場」に集まり、マントルの局所的対流の原動力となる可能性がある^[7]。また、地殻規模でも対流の原動力となる可能性がある^{[2] 。}

地殻物質の最終的な運命は、地球化学的循環、マントルの永続的な不均一性、湧昇、マグマ組成、溶融、プレートテクトニクス、マントルダイナミクス、熱流への無数の影響を理解する鍵となる。^[8]層状マントル仮説が示唆するように、スラブが660 km境界で行き詰まっている場合、コア-マントル境界で発生すると考えられるホットスポットプルームに組み込むことはできません。スラブがコア-マントル境界の「スラブ墓場」に行き着く場合、平坦なスラブの沈み込み形状に関与することはできません。マントルダイナミクスは、2つのエンドメンバー仮説が混在している可能性があり、部分的に層状のマントル対流システムになります。

地球深部の構造に関する現在の理解は、地震学、岩石学、同位体地球化学、地震トモグラフィー技術を用いたマントル特性の直接的および間接的な測定から得られる推論によって主に得られています。特に地震学は、核マントル境界付近の深部マントルに関する情報に大きく依存しています。

1980年代には地震トモグラフィーで地球のマントルの画像の質は低かったが^{[2] 、1997年に}サイエンス誌の論説記事に掲載された画像では、コアとマントルの境界付近に冷たいスラブがはっきりと示されており^[9]、2005年にハットコらが完成させた研究でも、地震トモグラフィー画像がコアとマントルの境界にある冷たい折り畳まれたスラブ物質である可能性が示されている^[10]。 しかし、相転移は深部でのスラブの挙動に依然として役割を果たしている可能性がある。シェラートらは、660 kmの相転移が沈み込むスラブを逸らすのに役立つ可能性があることを示した^[11]。沈み込み帯の形状も、スラブの形状が相転移境界を克服できるかどうかの鍵となった^{[12] 。}

鉱物学も役割を果たしている可能性があり、局所的に準安定なオリビンは、冷たい下降スラブでも正の浮力領域を形成し、これによりスラブが660 kmの相転移の密度増加で「失速」する可能性がある。^[13]スラブの鉱物学と深度でのその進化^[14]は、当初、スラブの加熱率に関する情報に基づいて計算されていなかったが、これは660 kmの相転移を貫通するのに十分な長さの負の浮力を維持するために不可欠であることが判明する可能性がある。Spasojevicらによる追加の研究^[15]は、ジオイドの局所的最小値は、彼らのモデルで示されているように、スラブの墓地内および周囲で発生するプロセスによって説明できることを示した。

地球の地層間の違いが単にレオロジー的なものではなく、化学的なものであることを理解することは、地殻物質が沈み込んだ後もその動きを追跡する方法を理解する上で不可欠です。岩石が地殻の下から地球の表面に移動すると、その岩石の安定同位体組成を採取することができます。その後、既知の地殻とマントルの同位体組成、および太陽系の形成時の元の物質をほぼ変化していない状態で表すと考えられているコンドライトの同位体組成と比較することができます。

ある研究グループは、上部マントルの5～10%が地殻のリサイクル物質で構成されていると推定しました。^[16] Kokfeltらはアイスランドの地下のマントルプルームの同位体検査を完了し^[17]、噴出したマントル溶岩が下部地殻の成分を取り込んでいることを発見し、局所レベルでの地殻リサイクルを確認しました。

^{非混和性の揮発性物質に富むマグマ[18]}とマントル指標鉱物ダイヤモンドに関連するいくつかのカーボナタイトユニットは、沈み込んだ有機物によってのみもたらされた可能性のある有機炭素の同位体信号を示しています。^{[19] [20]ウォルターら[18]}と他の研究者^[4]によるカーボナタイトに関する研究は、深部のマグマが脱水したスラブ物質に由来することをさらに発展させています。

マグマのδ34S^同位体シグネチャーは、地質学的時間にわたる地殻リサイクルの程度を測定するためにも使用されてきた。^[21]