Jordens heta, slingriga centrum och dess kalla, hårda yttre skal är båda ansvariga för den krypande (och ibland katastrofala) rörelsen av tektoniska plattor. Men nu avslöjar ny forskning en spännande maktbalans - den strömmande manteln skapar superkontinenter medan jordskorpan sliter dem isär.
För att komma till denna slutsats om processen med plattaktonik skapade forskarna en ny datormodell av jorden med skorpan och manteln betraktad som ett sömlöst system. Med tiden drevs cirka 60% av tektonisk rörelse vid ytan på denna virtuella planet av ganska grunt krafter - inom de första 62 milen (100 kilometer) av ytan. Mantelns djupa, sugande konvektion drev resten. Manteln blev särskilt viktig när kontinenterna pressades samman för att bilda superkontinenter, medan de grunda krafterna dominerade när superkontinenter bröt ihop i modellen.
Denna "virtuella jord" är den första datormodellen som "ser" jordskorpan och manteln som ett sammankopplat, dynamiskt system, rapporterade forskarna 30 oktober i tidskriften Science Advances. Tidigare skulle forskare göra modeller av värmestyrd konvektion i manteln som matchade observationer av den verkliga manteln ganska bra, men efterliknade inte skorpan. Och modeller av plattaktonik i jordskorpan kunde förutsäga observationer från den verkliga världen av hur dessa plattor rör sig, men passade inte bra med observationer av manteln. Det var uppenbart att något saknades i det sätt som modellerna satte ihop de två systemen.
"Konvektionsmodeller var bra för manteln, men inte plattor, och plattaktonik var bra för plattor men inte manteln," sade Nicolas Coltice, professor vid Ecole Normale Supérieure forskarskola, en del av PSL University i Paris. "Och hela historien bakom systemets utveckling är feedbacken mellan de två."
Skorpa plus mantel
Varje klassskolemodell av jordens inre visar ett tunt skorpeskikt som rider ovanpå det heta, deformerbara lagret i manteln. Denna förenklade modell kan ge intrycket att jordskorpan helt enkelt surfar på manteln, flyttas på detta sätt och det av de oförklarliga strömmarna nedan.
Men det är inte helt rätt. Jordforskare har länge vetat att jordskorpan och manteln är en del av samma system; de är oundvikligt länkade. Denna förståelse har väckt frågan om krafter vid ytan - till exempel subduktion av en bit skorpa under en annan - eller krafter djupt i manteln främst driver rörelsen för plattorna som utgör jordskorpan. Svaret, Coltice och hans kollegor fann, är att frågan är felaktig. Det beror på att de två lagren är så sammanflätade att de båda bidrar.
Under de senaste två decennierna, berättade Coltice för Live Science, har forskare arbetat mot datormodeller som kan representera skorpsmantelinteraktioner realistiskt. I början av 2000-talet utvecklade vissa forskare modeller av värmestyrd rörelse (konvektion) i manteln som naturligtvis gav upphov till något som såg ut som plattaktonik på ytan. Men dessa modeller var arbetsintensiva och fick inte mycket uppföljningsarbete, sa Coltice.
Coltice och hans kollegor arbetade i åtta år med sin nya version av modellerna. Att bara köra simuleringen tog bara 9 månader.
Bygga en modell Jorden
Coltice och hans team var först tvungna att skapa en virtuell jorden, komplett med realistiska parametrar: allt från värmeflöde till storleken på tektoniska plattor till den tid det tar för att superkontinenter bildas och bryts samman.
Det finns många sätt på vilka modellen inte är en perfekt efterlikning av jorden, sa Coltice. Till exempel håller programmet inte koll på tidigare stenformation, så stenar som har deformerats tidigare är inte benägna att deformeras lättare i framtiden i sin modell, som kan vara fallet i verkligheten. Men modellen producerade fortfarande en realistisk snygg virtuell planet, komplett med subduktionszoner, kontinental drift och oceaniska åsar och diken.
Utöver att visa att mantelkrafter dominerar när kontinenter samlas, fann forskarna att heta kolumner med magma som kallas mantelplummar inte är det främsta skälet till att kontinenter bryter isär. Subduktionszoner, där en bit skorpa tvingas under en annan, är drivkrafterna för kontinental uppbrytning, sa Coltice. Mantelplommor spelas in senare. Befintliga stigande plommor kan nå ytbeläggningar som har försvagats av krafterna som skapats vid subduktionszoner. De insinuerar sig sedan in i dessa svagare ställen, vilket gör det mer troligt för superkontinenten att riva på den platsen.
Nästa steg, sa Coltice, är att överbrygga modellen och den verkliga världen med observationer. I framtiden, sade han, kan modellen användas för att utforska allt från stora vulkanhändelser till hur plattgränser bildas till hur manteln rör sig i relation till jordens rotation.
