Mantel Bumi di bawah Lautan


Melihat sebuah bola dunia, orang dapat dengan mudah membayangkan benua dan lautan sebagai aspek abadi dan tidak berubah dari permukaan bumi. Ahli geofisika sekarang tahu bahwa penampilan keabadian adalah ilusi yang disebabkan oleh singkatnya rentang hidup manusia. Lebih dari jutaan tahun, blok-blok lapisan luar bumi yang kaku, litosfer, bergerak, menyimpang di punggung laut tengah, meluncur di sepanjang patahan dan bertabrakan di pinggiran beberapa samudera

Melihat sebuah bola dunia, orang dapat dengan mudah membayangkan benua dan lautan sebagai aspek abadi dan tidak berubah dari permukaan bumi. Ahli geofisika sekarang tahu bahwa penampilan keabadian adalah ilusi yang disebabkan oleh singkatnya rentang hidup manusia. Lebih dari jutaan tahun, blok-blok lapisan luar bumi yang kaku, litosfer, bergerak, menyimpang di punggung laut tengah, meluncur di sepanjang patahan dan bertabrakan di pinggiran beberapa samudera. Gerakan-gerakan itu menyebabkan pergeseran benua dan menentukan distribusi global gempa bumi, gunung berapi, dan pegunungan.

Meskipun teori lempeng tektonik sudah mapan, mesin yang menggerakkan gerakan lempeng litosfer terus menentang analisis yang mudah karena sangat tersembunyi dari pandangan. Untuk menghadapi kesulitan itu, saya dan simpatisan lain telah memfokuskan penelitian kami pada pegunungan tengah laut. Punggung bukit adalah lokasi utama yang mencolok di mana dasar samudera terkoyak. Pemeriksaan komposisi, topografi, dan struktur seismik dari daerah-daerah di sepanjang pegunungan tengah menghasilkan hasil yang seringkali bertentangan dengan ekspektasi konvensional. Lebih rumit dan mempesona daripada yang diperkirakan siapa pun, proses kimia dan termal di mantel di bawah punggung samudra menentukan bagaimana kerak samudera baru terbentuk. Aktivitas mantel juga dapat menyebabkan pulau-pulau muncul di tengah lautan dan parit dalam terbentuk di tepinya. Faktanya, proses-proses ini mungkin begitu kuat sehingga bahkan dapat secara halus mempengaruhi rotasi planet.

Gagasan bahwa Bumi menggabungkan interior dinamis mungkin sebenarnya berakar pada abad ke-17. Dalam risalahnya tahun 1644, Principles of Philosophy, filsuf besar Prancis Ren Descartes menulis bahwa Bumi memiliki inti pusat yang terbuat dari cairan purba mirip matahari yang dikelilingi oleh lapisan padat dan buram. Lapisan batuan, logam, air, dan udara konsentris yang berhasil membentuk sisa dari planet ini.

Ahli geofisika masih menganut gagasan Bumi yang berlapis. Dalam pandangan saat ini, Bumi memiliki inti dalam yang solid dan inti luar yang meleleh. Keduanya terdiri dari paduan kaya zat besi dan memiliki suhu mencapai lebih dari 5.000 derajat Celcius dan tekanan lebih dari satu juta kali tekanan di permukaan. Komposisi bumi berubah tiba-tiba sekitar 2.900 kilometer di bawah permukaan, di mana inti memberikan mantel yang jauh lebih padat daripada inti dan terbuat dari mineral silikat magnesium-besi padat. Diskontinuitas signifikan lainnya, yang terletak 670 kilometer di bawah permukaan, menandai batas antara mantel atas dan bawah (struktur kisi mineral mantel berubah melintasi batas itu karena tekanan yang berbeda). Transisi besar tambahan yang dikenal sebagai diskontinuitas Mohorovicic, atau Moho, memisahkan mantel padat dari kerak yang lebih ringan di atasnya. Moho terletak 30 hingga 50 kilometer di bawah permukaan benua dan kurang dari 10 kilometer di bawah dasar laut di dasar lautan. Litosfer, yang meliputi kerak dan bagian atas mantel, berperilaku seperti mosaik lempeng-lempeng kaku yang terletak di atas mantel bagian bawah yang lebih panas dan lebih lentur disebut asthenosphere.

Membuat bubungan dari mantel
PEMESANAN, struktur berlapis ini mungkin tampak menyiratkan bahwa interior Bumi adalah statis. Sebaliknya, Bumi yang dalam cukup dinamis. Energi panas yang tersisa dari waktu pembentukan Bumi, ditambah dengan energi yang dilepaskan melalui peluruhan unsur radioaktif seperti kalium 40, uranium dan torium, mengaduk bahan di dalam Bumi. Panas bergerak melintasi batas-batas dalam bumi dan menggerakkan arus konveksi besar yang membawa daerah panas ke atas dan dingin ke bawah. Proses-proses ini pada akhirnya menyebabkan banyak fenomena geologis luas di permukaan, termasuk bangunan gunung, gunung berapi, gempa bumi, dan gerakan benua.

Di antara daerah yang menawarkan akses terbaik ke interior Bumi adalah pegunungan di tengah laut. Bubungan ini membedah semua samudera utama, berkelok-kelok di seluruh dunia seperti lapisan bola tenis, dengan total lebih dari 60.000 kilometer. Mid-Atlantic Ridge adalah bagian dari sistem punggungan global itu. Bekas luka besar utara-selatan di dasar samudra, terbentuk ketika bagian timur dan barat Atlantik bergerak dengan kecepatan satu hingga dua sentimeter per tahun. Selain gempa bumi yang sering terjadi di sana, puncak Mid-Atlantic Ridge memuntahkan magma panas selama letusan gunung berapi yang sering terjadi. Magma mendingin dan membeku, sehingga membentuk kerak samudera baru. Punggungan lebih tinggi dari sisa lantai cekungan Atlantik. Pada jarak yang semakin jauh dari punggungan, dasar laut semakin dalam sehubungan dengan permukaan laut, mungkin karena lempeng litosfer yang menjauh dari kontrak punggungan karena perlahan-lahan menjadi dingin seiring bertambahnya usia.

Magma yang naik di Mid-Atlantic Ridge jelas berasal dari mantel atas. Komposisinya berbeda jauh dari mantel. Magma yang mendingin di punggung laut membentuk jenis batuan umum yang dikenal sebagai basal. Tetapi para peneliti telah menemukan bahwa gelombang seismik bergerak melalui mantel atas dengan kecepatan lebih dari delapan kilometer per detik, jauh lebih cepat daripada mereka akan melewati basal.

Salah satu bahan yang memungkinkan kecepatan suara tinggi adalah jenis batuan padat berwarna hijau tua yang disebut peridotit. Peridotite sebagian besar terdiri dari tiga mineral berbasis silikon: olivin, silikat padat yang mengandung magnesium dan zat besi; orthopyroxene, sejenis mineral tetapi kurang padat; dan klinopyroxene, yang menggabungkan beberapa aluminium dan lebih dari 20 persen kalsium. Peridotit juga memiliki sejumlah kecil spinel, oksida kromium, aluminium, magnesium, dan besi.

Bagaimana magma basaltik dapat dihasilkan dari mantel yang terbuat dari peridotit? Lebih dari 30 tahun yang lalu ahli petrologi eksperimental seperti Alfred E. Ringwood dan David H. Green dari Australian National University mengekspos sampel peridotit pada suhu tinggi (1.200 hingga 1.300 derajat C) dan tekanan tinggi (lebih dari 10.000 atmosfer). Nilai-nilai ini menduplikasi suhu dan tekanan yang ada di mantel atas sub-samudra sekitar 100 kilometer di bawah dasar laut. Penelitian ini menunjukkan bahwa dekompresi peridotit secara bertahap pada suhu tinggi mencair hingga 25 persen dari batuan. Lelehan memiliki komposisi basaltik yang mirip dengan basalt punggungan laut tengah.

Eksperimen ini mendukung pandangan bahwa bahan mantel peridotitik panas naik di bawah punggung laut tengah dari kedalaman melebihi 100 kilometer di bawah dasar laut. Saat bahan bergerak ke atas, mantel peridotit akan terkompresi dan sebagian meleleh. Bagian yang meleleh mengambil komposisi magma basaltik, naik dengan cepat ke permukaan dan terpisah dari peridotit yang tidak meleleh. Bagian dari lelehan meletus di dasar laut di sepanjang puncak punggungan tengah laut, di mana ia mendingin dan membeku dan menambah puncak punggungan. Sisanya mendingin dan membeku perlahan di bawah permukaan, sehingga menimbulkan kerak samudera baru. Ketebalan kerak samudera tergantung pada jumlah lelehan yang diekstraksi dari mantel.

Kedalaman puncak punggungan di bawah permukaan laut menandai tingkat keseimbangan yang ditentukan oleh suhu dan komposisi awal mantel atas yang berada di bawah punggungan. Jika suhu dan komposisi mantel konstan di sepanjang punggungan, puncak punggungan akan berada pada kedalaman yang sama di bawah permukaan laut sepanjang panjangnya.

Di dunia nyata konsistensi seperti itu tidak mungkin. Variasi kecil dalam suhu mantel atau komposisi di sepanjang punggungan akan menyebabkan puncak untuk menetap di berbagai ketinggian. Wilayah mantel bawah laut yang suhunya lebih tinggi memiliki kepadatan yang lebih rendah. Selain itu, mantel yang lebih panas akan meleleh lebih banyak dan menghasilkan kerak basaltik yang lebih tebal. Akibatnya, puncak bukit akan lebih tinggi.

Puncak Mid-Atlantic Ridge hanya menunjukkan variasi kedalaman di bawah permukaan laut. Misalnya, di sepanjang bubungan antara sekitar 35 dan 45 derajat lintang utara terletak area topografi yang abnormal tinggi. Satelit yang mengorbit bumi telah mendeteksi di wilayah yang sama gelombang besar di tingkat geoid (tingkat keseimbangan permukaan Bumi, kira-kira setara dengan rata-rata permukaan laut).

Para peneliti umumnya mengaitkan gelombang besar ini dengan pengaruh yang disebut hot spot yang berpusat pada kelompok pulau Azores. Hot spot adalah zona yang memiliki topografi tinggi dan kelebihan vulkanisme. Mereka umumnya ditafsirkan sebagai ekspresi permukaan "bulu mantel" - yaitu, kolom yang naik dari bahan mantel yang luar biasa panas. Sebagian besar pulau-pulau samudera, termasuk Kepulauan Hawaii dan Islandia, dianggap sebagai ekspresi permukaan bulu mantel. Sumber panas diperkirakan terletak di zona batas jauh di dalam Bumi, bahkan sedalam batas inti-mantel [lihat "Batas Inti-Mantel, " di halaman 36].

Mineral menawarkan bukti
Kolega saya dan saya mulai menguji ide-ide ini dengan mengeksplorasi bagaimana topografi di sepanjang Mid-Atlantic Ridge berhubungan dengan suhu, struktur dan komposisi mantel yang mendasarinya. Salah satu cara untuk mengumpulkan informasi tersebut adalah dengan memeriksa kecepatan gelombang seismik yang melewati mantel di bawah punggung bukit. Pendekatan lain melibatkan pencarian variasi lokal dalam kimia basal yang meletus di sepanjang poros punggungan. Variasi-variasi tersebut dapat digunakan untuk menyimpulkan sejauh mana peleburan dan sifat fisik dari sumber mantel dari mana mereka berasal.

Kami mengikuti pendekatan ketiga dengan mencoba mengumpulkan sampel batuan dari mantel peridotit. Peridotit dibiarkan sebagai residu padat setelah komponen magma basaltik mencair dari batuan mantel atas. Batuan mantel biasanya terkubur di bawah beberapa kilometer kerak samudera, tetapi dalam beberapa kasus blok peridotit mantel atas dapat diakses. Mereka biasanya terekspos di mana sumbu punggungan laut tengah rusak atau di mana ia diimbangi secara lateral oleh kesalahan transformasi; batuan-batuan ini dapat disampling dengan pengeboran atau pengerukan atau diambil langsung melalui penggunaan submersible.

Untuk menganalisis mineral mantel dalam sampel peridotit Atlantik, kami menggunakan microprobe elektron. Instrumen ini memfokuskan seberkas elektron yang berdiameter hanya beberapa mikron ke sepotong batu. Sebagai tanggapan, mineral tersebut memancarkan sinar-x dengan panjang gelombang karakteristik. Analisis panjang gelombang dan intensitas sinar-X ini memungkinkan penentuan komposisi kimia mineral. Berkolaborasi dengan Nobumichi Shimizu dari Lembaga Kelautan Woods Hole dan Luisa Ottolini dari Dewan Riset Italia di Pavia, kami juga menggunakan instrumen yang berbeda - microprobe ion - untuk menentukan konsentrasi elemen jejak seperti titanium, zirconium dan rare-earth elemen. Probe ion memfokuskan seberkas ion ke sampel, yang melepaskan ion lain dalam sampel untuk pengukuran. Metode ini memungkinkan kami untuk menentukan konsentrasi elemen jejak hingga beberapa bagian per juta.

Analisis tersebut mengungkapkan banyak tentang kondisi mantel dimana batuan sampel terbentuk, karena suhu dan tekanan di sana menghasilkan komposisi yang berbeda dalam peridotit. Petrologi, termasuk Green dan A. Lynton Jaques dari Geoscience Australia, telah menunjukkan bahwa pencairan parsial memodifikasi kelimpahan relatif mineral asli dalam peridotit. Beberapa mineral, seperti klinopyroxene, meleleh dengan lebih mudah daripada yang lain dan karenanya mengurangi kelimpahan selama pencairan. Selain itu, proses peleburan sebagian mengubah komposisi mineral asli: unsur-unsur tertentu di dalamnya, seperti aluminium dan besi, cenderung mengikuti lelehan. Konsentrasi mereka dalam mineral berkurang ketika hasil peleburan. Unsur-unsur lain, seperti magnesium dan kromium, cenderung tertinggal, sehingga residu padat menjadi kaya dengannya. Karena itu, sebagai hasil pelelehan sebagian, olivin menjadi lebih kaya magnesium dan miskin zat besi; rasio kromium terhadap aluminium dalam spinel meningkat; dan seterusnya.

Komposisi mineral ini, dikalibrasi oleh percobaan laboratorium, memungkinkan kita untuk memperkirakan tingkat peleburan yang peridotit mantel menjalani selama pendakian mereka di bawah punggungan. Data kami menunjukkan bahwa ada variasi regional yang substansial dalam komposisi mantel. Sebagai contoh, rasio kromium-ke-aluminium dari ortopyroxene dan spinel tertinggi dalam peridotit yang diambil sampel dari area yang luas antara 35 derajat dan 45 derajat lintang utara. Rasio ini menunjukkan bahwa tingkat rata-rata leleh mantel atas yang terletak di bawah wilayah ini dapat mencapai 15 persen. Di sebagian besar bagian, sekitar 10 hingga 12 persen mantel meleleh selama perjalanan ke atas. Area pencairan di atas rata-rata ini sesuai dengan wilayah hot spot Azores, memberikan kredibilitas pada teori bahwa hot spot dihasilkan dari bulu mantel panas yang tidak biasa yang berada jauh di dalam Bumi. Temuan lain mendukung gagasan itu, termasuk karya Emily M. Klein, bersama dengan Charles H. Langmuir dari Lamont-Doherty Earth Observatory, Universitas Columbia, yang secara independen memeriksa kimia basal di sepanjang Mid-Atlantic Ridge.

Titik panas tampaknya menjadi penyebab dari begitu banyak leleh. Faktanya, dengan asumsi bahwa suhu saja yang menyebabkan pencairan di wilayah hot spot Azores, kami menghitung bahwa mantel hot spot perlu lebih dari 100 derajat C lebih panas daripada mantel dari tempat lain di bawah punggungan.

Apakah ada cara untuk menguji validitas estimasi suhu ini dan asumsi dasarnya? Sejumlah geotermometer telah diusulkan. Mereka didasarkan pada pengamatan bahwa pasangan mineral tertentu yang hidup berdampingan dalam kesetimbangan dalam mantel menjalani reaksi kimia yang bergantung pada suhu. Sebagai contoh, orthopyroxene dan klinopyroxene dalam mantel peridotite bereaksi satu sama lain sampai mereka mencapai komposisi kesetimbangan yang tergantung pada suhu. Eksperimen laboratorium telah mengkalibrasi hubungan itu. Dengan demikian, menentukan komposisi pasangan mineral yang hidup bersama dapat menunjukkan suhu di mana anggota pasangan mencapai keseimbangan.

Saya menerapkan dua geotermometer, satu dirancang oleh Donald H. Lindsley dari Stony Brook University dan yang lainnya oleh Peter RA Wells dari University of Oxford, ke peridotit Mid-Atlantic Ridge. Hasilnya mengejutkan. Mereka tidak menunjukkan suhu yang lebih tinggi di wilayah hot-spot; jika ada, wilayah tersebut memberikan suhu yang sedikit lebih rendah.

Mantel dibubuhi air
MENGAPA KITA TIDAK MENCARI suhu mantel yang lebih tinggi untuk suatu daerah yang menampilkan leleh tinggi? Salah satu kemungkinan adalah bahwa mantel bagian atas memiliki komposisi yang membuatnya mudah meleleh. Air bisa menjadi faktor utama. Eksperimen oleh Peter J. Wyllie dari California Institute of Technology dan Ikuo Kushiro dari University of Tokyo dan Carnegie Institution of Washington, antara lain, menunjukkan bahwa jumlah jejak air dan elemen volatil lainnya dalam peridotite secara drastis menurunkan suhu lelehnya. Oleh karena itu, jika mantel "basah" seperti itu berada di bawah bentangan punggungan di tengah lautan, mantel itu akan mulai meleleh lebih dalam di Bumi daripada mantel normal, "kering". Pada saat peridotit mencapai permukaan, peridotit itu akan mengalami tingkat leleh yang jauh lebih besar daripada mantel kering di bawah suhu yang sama [ lihat kotak di halaman sebelah ].

Apakah ada bukti bahwa mantel atas di bawah area hot spot Azores lebih basah daripada mantel di tempat lain di bawah Mid-Atlantic Ridge? Memang ada. Jean-Guy E. Schilling dan rekan kerjanya di University of Rhode Island melaporkan bahwa basal dari segmen hot spot yang terletak di antara 35 dan 45 derajat garis lintang utara mengandung tiga hingga empat kali lebih banyak air daripada basal punggungan laut tengah normal., serta konsentrasi beberapa unsur kimia yang lebih tinggi (sebagian besar unsur tanah jarang). Konsentrasi yang sangat tinggi dari unsur-unsur itu berarti bahwa mantel induk di daerah hot-spot memiliki persediaan unsur-unsur yang diperkaya.

Tampaknya, oleh karena itu, mantel di bawah hot spot Azores berbeda dari mantel sub-Mid-Atlantic Ridge yang normal tidak lebih banyak dengan menjadi lebih panas dengan bergabung di air tahap dan cairan lain yang mengubah komposisi kimianya dan perilaku lelehnya. Transformasi kimia peridotit mantel oleh cairan disebut metasomatisme. Ini akan menjelaskan mengapa mantel basah di dekat permukaan akan mengalami lebih banyak pencairan daripada mantel normal. Ini juga dapat menjelaskan mengapa suhu keseimbangan yang diperkirakan dari peridotit di titik panas Azores tidak tampak lebih tinggi dari rata-rata. Reaksi peleburan membutuhkan panas, sehingga sebagian leleh mantel upwelling mungkin sebenarnya telah mendinginkan mantel sekitarnya. Semakin tinggi derajat lelehnya, semakin besar kehilangan panasnya.

Jadi hot spot Azores mungkin tidak terkait dengan membanggakan termal yang berasal dari mantel dalam atau batas inti-mantel. Sebaliknya itu mungkin merupakan anomali leleh yang berasal dari permukaan yang relatif dangkal. Titik-titik panas ini mungkin tidak benar-benar panas dan mungkin paling baik diklasifikasikan sebagai "titik basah" karena peran kunci yang mungkin dimainkan cairan dalam pembentukannya.

Dari mana air yang menghasilkan mantel metasomatisme berasal? Salah satu sumber yang mungkin dari air ini adalah lempengan lempeng litosfer samudera tua di zona subduksi di tepi lautan. Proses ini mendaur ulang air ke dalam mantel. Air juga bisa dilepaskan di mantel atas selama proses degassing mantel dalam. Selain itu, molekul air dapat disimpan dalam struktur mineral mantel yang sebenarnya.

Pertimbangkan mineral perovskit, silikat magnesium dan besi yang merupakan komponen utama mantel bawah dan karena itu merupakan mineral paling berlimpah di Bumi. Perovskite dapat mengandung air dalam konsentrasi hingga 1 persen. Bentuk tekanan rendah dari perovskite, yang disebut wadsleyite, berlaku di zona mantel pada kedalaman antara 660 dan 450 kilometer dan dapat berisi air hingga konsentrasi sekitar 1, 5 persen. Menghasilkan semua molekul air ini, kita dapat berspekulasi bahwa jumlah total air dalam mantel Bumi bisa setara dengan beberapa lautan. Sebagian besar air ini mungkin purba, ditangkap di mantel Bumi pada saat pembentukannya lebih dari empat miliar tahun yang lalu. Kehadiran molekul air yang tersebar dalam mineral mantel memiliki konsekuensi penting. Sebagai contoh, secara signifikan menurunkan viskositas mantel, memfasilitasi gerakan konvektif yang menyebabkan pergerakan lempeng litosfer dan hanyutnya benua.

Mantel yang tidak rata memiringkan poros bumi
BELAJAR KITA PERIDOTITASI MANTLE dari Mid-Atlantic Ridge menunjukkan bahwa beberapa daerah dengan suhu mantel yang lebih dingin mungkin mewakili pukulan balik dari siklus konveksi pada mantel - yaitu, daerah hilir. Untuk memahami gagasan ini, kita harus melihat ke selatan wilayah Azores, ke zona khatulistiwa di mana Mid-Atlantic Ridge terletak lebih dalam daripada punggungan di lintang yang lebih tinggi. Komposisi mineral peridotit pulih dari Atlantik khatulistiwa menunjukkan bahwa mereka mengalami sedikit atau tidak ada leleh, yang menyiratkan bahwa suhu mantel sangat rendah. Schilling dan Nadia Sushevskaya dari Institut Geokimia Vernadsky dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia mencapai kesimpulan yang sama setelah mempelajari basal dari Atlantik khatulistiwa. Selain itu, Yu-Shen Zhang dan Toshiro Tanimoto dari Caltech menemukan bahwa kecepatan gelombang seismik lebih cepat di mantel atas di bawah Mid-Atlantic Ridge khatulistiwa daripada di lintang yang lebih tinggi. Pengamatan ini menyiratkan mantel atas yang lebih padat dan dingin di bawah wilayah khatulistiwa Atlantik. Suhu mantel atas mungkin lebih rendah hingga 100 derajat C daripada suhu mantel di tempat lain di bawah punggungan.

Penjelasan yang masuk akal untuk mantel atas khatulistiwa yang relatif dingin dan padat adalah bahwa hal itu dihasilkan dari arus mantel downwelling. Mantel panas yang membubung di atas mantel Atlantik utara dan selatan dapat mengalir ke arah khatulistiwa, melepaskan panasnya ke lingkungan yang lebih dingin dan kemudian tenggelam.

Posisi ekuatorial sabuk mantel Atlantik "dingin" mungkin tidak sembarangan. Ada kemungkinan bahwa rotasi dan konveksi bumi dalam mantel adalah fenomena yang terkait erat. Pada akhir 1800-an George Darwin (putra kedua Charles) menunjukkan bahwa distribusi massa besar di permukaan (seperti benua) mempengaruhi posisi sumbu rotasi Bumi. Beberapa ilmuwan sejak saat itu telah menyelidiki bagaimana kerapatan ketidakhomogenan di dalam mantel menyebabkan pengembaraan kutub sejati (yaitu, pergeseran poros rotasi Bumi relatif terhadap mantel). Para pengembara hasil dari kecenderungan alami objek berputar untuk meminimalkan energi yang dihabiskan untuk rotasi.

Redistribusi massa di dalam Bumi dapat dicatat dalam mantel. Almarhum H. William Menard dan LeRoy M. Dorman dari Scripps Institution of Oceanography menyarankan bahwa kedalaman punggungan di tengah samudra umumnya tergantung pada garis lintang: punggungan menjadi lebih dalam ke arah khatulistiwa dan lebih dangkal ke kutub. Selain itu, pengukuran gravitasi mengungkapkan bahwa massa berlebih berada di bawah daerah khatulistiwa, setidaknya di Atlantik. Data ini menunjukkan bahwa massa dingin dan padat yang tidak normal ada di mantel atas ekuatorial.

Tenggelamnya lempengan dingin dan padat ke dalam mantel dapat memengaruhi pengembaraan kutub sejati. Massa padat yang menemukan jalannya ke mantel, seperti yang terjadi di zona subduksi di tepi lautan, akan mempengaruhi posisi sumbu rotasi. Ekuator akan cenderung bergeser ke arah massa yang padat. Jika massa berkepadatan tinggi cenderung berkonsentrasi di dekat khatulistiwa, bintik mantel downwelling dan cooler paling mungkin terjadi pada mantel atas khatulistiwa, menjelaskan setidaknya secara kualitatif sabuk mantel atas dingin dan mengakibatkan kurangnya pencairan normal di zona khatulistiwa Atlantik. .

Menyelam untuk data laut dalam
Mantel ekuatorial COLDER-THAN-NORMAL ketika Atlantik pertama kali dibuka akan menyiratkan litosfer benua yang lebih dingin dan lebih tebal di sepanjang sabuk khatulistiwa. (Ekuator 100 juta tahun lalu melintasi garis pantai Atlantik di masa depan Afrika dan Amerika Selatan kira-kira di posisi yang sama seperti saat ini.) Litosfer khatulistiwa yang dingin dan tebal pasti telah menentang keretakan yang merambat baik dari selatan maupun utara. Wilayah khatulistiwa mungkin berperilaku sebagai "zona terkunci" (dalam arti yang digunakan oleh ahli geologi Prancis Vincent E. Courtillot). Akibatnya, Atlantik khatulistiwa terbuka lamban. Pembukaan yang lambat dan sulit ini mungkin telah menciptakan zona fraktur khatulistiwa besar, terlihat saat ini sebagai penahan timur-barat yang mengimbangi segmen pendek dari punggungan laut tengah.

Sekarang kita tahu bahwa mantel hari ini yang berada di bawah punggung laut tengah adalah heterogen dalam hal suhu dan komposisi, pertanyaan berikutnya adalah: Bagaimana sifat-sifat mantel yang berada di bawah segmen tertentu dari punggungan berubah dari waktu ke waktu? Informasi ini akan mencerahkan kita pada masalah penting, yaitu, bagaimana cekungan laut berevolusi. Tetapi penelitian untuk mendapatkan data yang diperlukan akan membutuhkan pengambilan sampel litosfer samudera yang lebih tua pada berbagai jarak dari sumbu punggungan laut tengah. Dan sayangnya, litosfer yang lebih tua biasanya terkubur jauh di bawah sedimen.

Kami merasa kami mungkin memiliki kesempatan untuk mencapai bahan litosfer lama di Atlantik tengah di sekitar Vema Transform Fault. Sesar ini mengimbangi puncak Mid-Atlantic Ridge sejauh 320 kilometer, memotong lembah yang dalam melalui kerak samudera. Sepotong dasar laut yang panjang tampaknya telah terangkat di sisi selatan transformasi, dan kami berharap bahwa dasar laut yang terangkat ini akan memaparkan bagian murni litosfer.

Untuk menguji hipotesis ini, pada tahun 1989 kami mengadakan ekspedisi bersama dengan Jean-Marie Auzende dari lembaga oseanografi Prancis Ifremer. Kami berencana untuk turun ke dasar laut - lebih dari lima kilometer ke bawah - di kapal selam riset Nautile. Sebagian besar kolega kami memandang tugas kami dengan skeptis: pendapat umum menyatakan bahwa urutan normal mantel atas dan kerak bumi benar-benar terganggu di dekat kesalahan transformasi.

Namun demikian, kami terus maju. Kami memulai serangkaian penyelaman yang dimulai di dasar bagian dan bergerak ke atas lereng. Setiap penyelaman berlangsung sekitar 12 jam, sekitar setengahnya dihabiskan turun ke dasar laut dan kembali ke permukaan. Perempat Nautile yang sempit, sebuah bola titanium berdiameter satu meter dan 80 sentimeter, dapat menampung dua pilot dan satu ilmuwan, yang berbaring telungkup selama perjalanan.

Pada penyelaman pertama kami, kami memverifikasi bahwa bagian dasar terdiri dari mantel peridotit dengan ketebalan sekitar satu kilometer. Pada hari kedua kami menemukan lapisan gabbros - batuan yang terbentuk di bawah dasar laut ketika basaltik mencair perlahan-lahan - beristirahat di atas peridotit. Menurut model geofisika yang diterima secara luas, gabbros adalah komponen utama dari bagian bawah kerak samudera. Jadi dalam menaiki lereng dari peridotit mantel ke gabbros kerak, kami telah melewati diskontinuitas Moho.

Hari berikutnya saya mengambil Nautile pada penyelaman yang dimulai dari tingkat yang dicapai oleh kapal selam hari sebelumnya. Ketika saya berjalan di sepanjang lereng, menelusuri dasar laut, formasi batuan spektakuler yang disebut kompleks tanggul perlahan-lahan menampakkan dirinya. Teori berpendapat bahwa kompleks tanggul terbentuk di mana bahan cair panas, dihasilkan oleh pencairan sebagian mantel, menyemprotkan ke atas menuju dasar laut melalui banyak celah sempit di kerak. Belum pernah ada kompleks tanggul yang diamati di dasar laut.

Kompleks tanggul, setebal sekitar satu kilometer, diatapi oleh lapisan basal bantal, bentuk yang diambil oleh magma basaltik ketika dingin dan mengeras dengan cepat saat erupsi ke dasar laut. Selama beberapa hari berikutnya, kami menjelajahi bagian yang berbeda dan mengkonfirmasi temuan kami sebelumnya. Kami cukup senang karena tidak ada yang pernah sebelumnya mengamati bagian mantel samudera dan kerak samudera yang lengkap dan relatif tidak terganggu. Kami segera mendokumentasikan penemuan kami di sebuah makalah pendek yang kami kirimkan ke Nature segera setelah kami berlabuh beberapa minggu kemudian.

Terdorong oleh hasil penyelaman Nautile, kami melakukan dua ekspedisi lainnya dan menetapkan bahwa bagian litosfer Vema terpapar di dasar laut lebih dari 300 kilometer. Setelah memetakan anomali magnetik yang dihasilkan oleh dasar laut, kita dapat memperkirakan kecepatan perpindahan litosfer dari sumbu punggungan. Dengan demikian, kami menetapkan bahwa bagian Vema memaparkan litosfer yang diciptakan secara bertahap pada poros Mid-Atlantic Ridge selama interval waktu lebih dari 20 juta tahun - sebuah kesempatan unik untuk mempelajari bagaimana penciptaan litosfer bervariasi sepanjang waktu!

Selama penyelaman, kami telah menggunakan lengan mekanik Nautile untuk mengambil sejumlah sampel mantel peridotit. Kami kemudian mengambil sampel dengan mengeruk peridotit mantel pada interval dekat sepanjang dasar bagian di litosfer dari bertambahnya usia. Dari komposisi mineral batuan ini, kami memperkirakan variasi tingkat peleburan yang mereka alami dari waktu ke waktu selama pendakian mereka di bawah Mid-Atlantic Ridge. Pada saat yang sama, kita dapat memperkirakan bagaimana ketebalan kerak bervariasi dari waktu ke waktu, berkat data gravimetri yang diperoleh dari kedua kapal dan pengukuran satelit dari medan gravitasi yang dihasilkan oleh batuan di bawah dasar laut. Ketebalan kerak tergantung pada jumlah lelehan yang dihasilkan oleh mantel naik di bawah punggungan.

Hasilnya cukup tak terduga. Tingkat leleh mantel dan ketebalan kerak keduanya tampaknya telah meningkat secara stabil dari 20 juta tahun yang lalu hingga saat ini. Osilasi kecil ditumpangkan pada tren umum ini. Interpretasi paling sederhana dari hasil ini: Mid-Atlantic Ridge menjadi terus "lebih panas" dari waktu ke waktu.

Anehnya, peningkatan suhu mantel upwelling disertai dengan penurunan tingkat penyebaran pelat litosfer yang dihasilkan pada sumbu punggungan. Hasil ini kontras dengan konsep upwelling "pasif" mantel dalam menanggapi gerakan divergen dari lempeng litosfer - sebuah konsep yang akan membutuhkan proporsionalitas antara tingkat penyebaran dan tingkat peleburan mantel naik.

Kami juga dapat memperkirakan kecepatan mantel padat yang naik di bawah punggungan, informasi penting untuk menyempurnakan model kami pada pembentukan kerak samudera. Kecepatan mantel meningkat tergantung pada suhu dan komposisinya (keduanya mempengaruhi kepadatan dan viskositas) dan pada diameter kolom naik dan terkait dengan kecepatan penyebaran litosfer yang menyimpang dari sumbu punggungan.

Bagaimana kita bisa memperkirakan kecepatan mantel padat yang naik? Mantel yang naik menghasilkan lelehan dalam interval kedalaman yang dapat diperkirakan dari eksperimen dan pertimbangan teoretis. Fraksi leleh naik dengan cepat, mendinginkan dan memadat sebagai basal di kerak, sementara mantel induknya terus naik perlahan.

Ketika peridotit mantel "induk" mencapai litosfer dan mulai bergerak secara horizontal dengan lempeng menjauh dari punggungan, basal yang dihasilkannya telah bergerak lebih jauh dari punggungan. Jarak horizontal antara bidang kerak basaltik dan mantel induknya, yang diterjemahkan sebagai waktu, akan memungkinkan kita untuk memperkirakan kecepatan mantel padat yang naik. Setelah mengkorelasikan variasi temporal dari derajat peleburan mantel dengan variasi ketebalan kerak di sepanjang bagian litosfer Vema, kami memperkirakan mantel padat naik pada kecepatan rata-rata sekitar 25 milimeter per tahun.

Untuk memperbaiki perkiraan ini, kita perlu kembali dan mengambil sampel tambahan peridotit dari bagian litosfer yang terbuka sehingga kita dapat mencapai resolusi yang lebih tinggi dalam kurva yang menggambarkan variasi temporal dari derajat leleh mantel.

Mengapa Mid-Atlantic Ridge utara dari khatulistiwa menjadi lebih panas secara bertahap? Kami hanya bisa berspekulasi. Mungkin gelombang mantel panas turunan plume telah mengalir ke selatan menuju khatulistiwa sejak beberapa puluh juta tahun yang lalu. Kami memiliki petunjuk bahwa osilasi besar dalam intensitas aktivitas punggungan laut tengah terjadi di masa lalu yang jauh.

Sebagai contoh, studi oleh Roger Larson dari University of Rhode Island menunjukkan bahwa mantel "superplume" sekitar 100 juta tahun yang lalu menyebabkan pembengkakan di punggungan laut tengah, penyebaran dasar laut yang lebih cepat, naiknya permukaan laut, dan pemanasan iklim sebagai akibat dari jumlah yang lebih besar dari karbon dioksida, metana dan gas rumah kaca lainnya dilepaskan dari mantel [lihat "Episode Superplume Mid-Cretaceous, " di halaman 22].

Masih banyak yang harus dilakukan sebelum ahli geologi mengembangkan gambaran lengkap dinamika mantel dan pengaruhnya terhadap geologi permukaan. Perdebatan terus berlanjut tentang asal-usul konveksi mantel dan apakah meluas ke mantel bawah. Memang, simposium yang mencakup para ahli teori, ahli geofisika, ahli geokimia dan petrologi selalu menghasilkan diskusi yang memanas dan banyak perbedaan pendapat. Pada satu titik ada kebulatan suara: Mantel Bumi sangat hidup dan merupakan daerah yang menarik untuk dipelajari.

PENULIS
ENRICO BONATTI memiliki gelar geologi dari University of Pisa dan Scuola Normale Superiore di Pisa, Italia. Setelah datang ke AS pada tahun 1959, ia menghabiskan beberapa tahun sebagai ilmuwan riset di geologi kelautan di University of Californias Scripps Institution of Oceanography dan sebagai profesor di Rosenstiel School of Marine Sciences di University of Miami. Sejak 1975 ia telah bersama Observatorium Bumi Lamont-Doherty, Universitas Columbia. Baru-baru ini dia mengajar dan meneliti di negara asalnya. Dia telah memimpin atau berpartisipasi dalam ekspedisi di semua samudera utama dan di beberapa negeri yang jauh namun menarik secara geologis, dari wilayah kutub Ural Rusia ke pulau gurun Zabargad di Laut Merah. Bonatti ingin berterima kasih kepada Daniele Brunelli, Anna Cipriani dan Marco Ligi, yang telah bekerja sama dengannya dalam penelitiannya selama dekade terakhir.

Artikel ini awalnya diterbitkan dengan judul "Mantel Bumi di Bawah Lautan" dalam SA Edisi Khusus 15, 2s, 64-73 (Juli 2005)