Mantelvågor lyfter kontinenter uppåt och pryder dem med diamanter

I miljarder år har kontinenterna kryssat över jordens yta som tektoniska fartyg, men de har inte klarat sig oskadda. Vågor i det underliggande skiktet som kallas manteln kan skura av kontinenternas kölar och lyfta deras ytor uppåt för att bilda framträdande landformer långt från alla aktiva plattgränser, föreslår forskare i Nature 8 augusti. Studien ger en trovärdig ursprungshistoria för gåtfulla platåer som sticker ut från annars geologiskt stillsamma landskap.

Forskarna har "kunnat utvidga och länka samman processer som vi har spekulerat om under lång tid", säger geologen David Foster vid University of Florida i Gainesville. Studien bygger på forskning som publicerades förra året, som antydde att mantelvågor också utlöste utbrott av diamantbärande magma som kallas kimberliter.

I centrum av denna berättelse ligger kratonerna, stora block av mestadels kristallin sten som vanligtvis upptar kontinenternas inre. De är de äldsta fragmenten av jordskorpan, med många som har bildats för mer än 2,5 miljarder år sedan, under den arkeiska eonen. Mycket av jordskorpan som en gång fanns på jorden har förstörts i subduktionszoner, där en tektonisk platta störtar under en annan i manteln. Kratonerna undvek dock det ödet.

Kratonger är skyldiga sin livslängd till sina rötter, eller kölar, säger Foster. Kratonger är mycket tjockare än den omgivande kontinentala skorpan, med kölar som kan sträcka sig hundratals kilometer ner i manteln. Kölarna är relativt flytande, vilket hjälper till att hålla kratonger flytande och intakta medan andra delar av skorpan subduceras.

Men något med kratonerna hade länge förbryllat geologer. Vissa, som Kaapvaal-kratonen i södra Afrika, toppas av vidsträckta platåer som kantas av dramatiska branter. Men kratoner förmodas vara stabila och ofta belägna långt från den landlyftande tektoniska aktiviteten som sker vid plattgränserna. Så vad höjde dessa platåer?

Vissa studier har föreslagit att landformerna uppstod när kratonen passerade över en stor plym av material som kom upp från djupet av manteln. Men de geologiska uppgifterna verkar inte stödja den förklaringen, säger jordforskaren Thomas Gernon från University of Southampton i England.

Så Gernon och kollegor utnyttjade datorsimuleringar för att spåra utvecklingen av en spricka som öppnade sig mitt på en kontinent. De fann att tryckförändringar under sprickan rörde upp cirkulationer i manteln, vilket ledde till en våg som fortplantade sig i sidled under en kontinent ungefär 20 kilometer varje miljon år.

När vågen mötte en kratons köl i simuleringen, excorierade den och svepte bort material in i manteln. Detta avlastade kontinenten successivt, vilket fick den överliggande ytan att stiga uppåt som ett fartyg befriat från last. Denna höjning följde mantelvågorna i hundratals kilometer över kratonen och höjde en stabil platå ungefär en till två kilometer hög, säger Gernon. Och när dessa upphöjda områden eroderades av vind och vatten, höjdes ytan ännu mer.

Kontinentala sprickor kan sparka igång vågor i den underliggande manteln som stöter upp skorpan och bygger en förlängd platå. Klicka igenom bildspelet nedan för att se hur detta går till. I varje illustration är kontinenten uppdelad i dess övre skorpa, nedre skorpa och kontinentala litosfärlager plus ett relativt instabilt termiskt gränsskikt. Under kontinenten finns astenosfären, det formbara övre lagret av jordens mantel.

Hur mantelvågor lyfter jordens yta för att bilda breda platåer

Forskarna kopplade också sina simuleringar till det geologiska rekordet. Från tidigare publicerad forskning drog de geokemiska data från bergarter på platån i södra Afrika, som registrerade platåns termiska historia. Uppgifterna visade att de snabbaste avkylningshastigheterna - en proxy för när stenarna lyftes snabbast - svepte över platån i en takt som överensstämde med migrationen av en mantelvåg.

Studien länkar samman många olika hypoteser, säger geofysiker Cynthia Ebinger från Tulane University i New Orleans. Forskare hade tidigare kopplat sprickning till kimberlitvulkanism och visat att kratonkölar kunde utsöndras av material som cirkulerade i manteln. Men fram tills nu hade ingen kopplat dessa bitar med kratonernas gåtfulla topografi.

"Dessa arkeiska fragment kontrollerar fortfarande aspekter av plattektoniken," säger Ebinger. "Det där tidiga skedet i jordens historia är fortfarande väldigt viktigt."