Bumi Simpan Lapisan Batuan Cair Tersembunyi di Bawah Permukaan

Sejumlah batuan cair terletak di bawah bentangan besar lempeng bumi yang bergerak, namun kontribusinya terhadap pergerakan lempeng-lempeng tersebut mungkin sangat kecil.

Analisis seismik global menemukan bukti adanya lapisan mantel yang sebagian meleleh tanpa pelemahan kuat seperti yang mungkin diperkirakan para ilmuwan. Temuan ini memisahkan dua pertanyaan yang sering diperlakukan bersama, di mana batuan meleleh dan mengapa bagian dalam Bumi dapat mengalir perlahan?

Penelitian yang diterbitkan di Nature Geoscience ini menyatukan para ilmuwan dari Brown University, Texas University di Austin, dan Cornell Universitas. Junlin Hua memulai penelitian ini sebagai mahasiswa doktoral di Brown dan memimpinnya saat menjadi peneliti pascadoktoral di Texas University. Timnya menggunakan sinyal gempa untuk menyelidiki wilayah yang tidak dapat diakses untuk inspeksi langsung.

Dikutip dari The Brighter Side News, lempeng tektonik Bumi terdiri dari kerak dan mantel teratas yang kaku, yang secara bersama-sama disebut litosfer. Di bawahnya terletak astenosfer, wilayah mantel yang lebih lemah yang mengakomodasi pergerakan antara lempeng dan batuan yang lebih dalam. Meskipun sebagian besar padat, material ini dapat mengalami deformasi dalam skala waktu geologis.

Kelemahannya bergantung pada viskositas, yaitu ukuran resistensi terhadap aliran. Batuan dapat mentransmisikan getaran gempa bumi sekaligus mengubah bentuknya secara perlahan di bawah tekanan yang berkelanjutan. Menjelaskan deformasi yang lambat ini sangat penting untuk memahami bagaimana lempeng yang relatif kaku bergerak di permukaan Bumi.

Peleburan parsial tampaknya menjadi faktor yang masuk akal karena cairan di antara butiran mineral padat dapat mengubah perilaku batuan. Penelitian sebelumnya telah mendukung keberadaan lelehan, tetapi luas dan pentingnya secara mekanis masih diperdebatkan. Oleh karena itu, mendeteksi jejak seismik dari peleburan hanya akan menjawab sebagian dari masalah tersebut.

Tim tersebut memfokuskan perhatian pada batas bawah wilayah di mana gelombang seismik bergerak relatif lambat. Studi sebelumnya telah mengidentifikasi batas atasnya di banyak tempat. Batas bawahnya lebih sulit untuk ditentukan, sehingga menimbulkan ketidakpastian tentang bagaimana wilayah berkecepatan rendah ini berhubungan dengan pencairan di bawah tanah yang lebih dalam.

Para peneliti mengumpulkan rekaman dari 716 stasiun seismik permanen di seluruh dunia. Setelah pemeriksaan kualitas, analisis mereka mempertahankan 184.340 pengukuran yang disebut fungsi penerima, yang mengisolasi sinyal yang dihasilkan ketika gelombang seismik bertemu dengan perubahan di dalam Bumi. Menggabungkan banyak pengukuran membantu mengungkap struktur yang sulit dibedakan dalam rekaman individual.

Pendekatan mereka meneliti gelombang S yang berubah menjadi gelombang P di batas bawah tanah. Jenis gelombang ini mendeforamsi batuan secara berbeda, sehingga konversinya membawa informasi tentang perubahan sifat material. Waktu dan kekuatan sinyal tersebut membantu tim memperkirakan kedalaman batas dan perubahan kecepatan gelombang yang terkait.

Sinyal yang jelas muncul di dekat kedalaman 150 kilometer di bawah banyak stasiun. Sinyal ini menandai peningkatan kecepatan seismik seiring kedalaman, yang konsisten dengan gelombang yang meninggalkan lapisan yang lebih lambat di atasnya. Di tempat kedua batas tersebut terdeteksi, lapisan berkecepatan rendah memiliki ketebalan rata-rata sekitar 65 kilometer.

Hasil penelitian tidak mengidentifikasi batas tersebut di semua tempat. Tim menemukan bukti kuat di 160 stasiun dan sedikit bukti di 240 stasiun lainnya, sementara lokasi lain masih kurang pasti. Distribusi ini penting karena penelitian ini mendukung peleburan parsial yang meluas, bukan lapisan cair yang tak terputus yang mengelilingi planet ini.

Batas yang terdeteksi tidak boleh disamakan dengan bagian bawah seluruh astenosfer. Dalam interpretasi tim, batas ini menandai tepi bawah wilayah yang sangat lambat dan mengandung lelehan. Mantel yang lebih lemah dapat berlanjut di bawahnya tanpa menunjukkan perubahan kecepatan seismik yang tajam.

Batas tersebut paling sering terjadi di tempat model seismik lain menunjukkan mantel atas yang relatif panas. Batas itu muncul di bawah samudra dan benua, serta meluas melampaui wilayah yang terkait dengan titik panas vulkanik. Pola tersebut menunjukkan proses yang lebih luas daripada sekadar peleburan yang terbatas pada beberapa lokasi yang sangat panas.

Untuk menguji kemungkinan penjelasan, tim menghitung bagaimana gelombang seismik seharusnya berperilaku di bawah suhu, komposisi mineral, dan kandungan air yang berbeda. Model yang mencakup peleburan parsial mereproduksi fitur-fitur utama dari pengamatan. Analisis tersebut mendukung batuan yang mengandung lelehan di atas batas, dengan fraksi lelehan kecil sekitar 1% atau kurang, tergantung pada modelnya.

Tim tersebut memeriksa apakah pola tersebut bergantung pada dimasukkannya stasiun-stasiun di dekat lempeng tektonik yang turun. Dengan menghapus stasiun-stasiun tersebut, hubungan utama antara batas dan kecepatan mantel yang lambat sebagian besar tetap utuh. Analisis terpisah terhadap stasiun-stasiun samudra dan benua juga menghasilkan pola yang secara umum serupa.

Para peneliti juga memeriksa sampel basal yang meletus di seluruh dunia. Kimia sampel tersebut memungkinkan perkiraan suhu dan kedalaman tempat magma asli mencapai kesetimbangan. Perkiraan tersebut konsisten dengan peleburan yang dimulai di dekat kedalaman batas seismik, yang menambahkan dukungan tambahan.

Ekstrapolasi hasil stasiun ke area dengan kecepatan mantel yang sebanding menunjukkan bahwa batas tersebut dapat berada di bawah sekitar 44% dari luas permukaan Bumi. Ini adalah perkiraan berbasis model, bukan deteksi langsung di bawah setiap bagian area tersebut. Sebagian besar stasiun berada di benua, dan tim mencatat bahwa cakupan lautan yang terbatas dapat memengaruhi perkiraan tersebut.

Gelombang yang lebih lambat tidak berarti pergerakan lempeng yang lebih cepat.
Pertanyaan yang menentukan adalah apa yang dilakukan lelehan yang diduga tersebut terhadap batuan di sekitarnya. Para peneliti membandingkan area dengan dan tanpa batas menggunakan anisotropi seismik, yaitu variasi kecepatan gelombang dengan arah. Pola-pola ini dapat mencerminkan keselarasan kristal mineral saat batuan mantel mengalami deformasi.

Jika peleburan menciptakan lapisan yang sangat melemah, deformasi seharusnya terkonsentrasi secara berbeda dengan kedalaman. Tim tersebut menguji harapan itu menggunakan model aliran mantel satu dimensi dan tiga dimensi. Penurunan viskositas yang signifikan menghasilkan perubahan pada anisotropi yang diprediksi, yang seharusnya membedakan wilayah yang mengandung lelehan dari mantel di sekitarnya.

Pengamatan tersebut tidak menunjukkan perbedaan yang diharapkan. Daerah dengan batas tersebut memiliki kecepatan seismik yang lebih rendah, tetapi profil anisotropinya tidak berbeda secara signifikan dari daerah tanpa batas tersebut. Ketidaksesuaian tersebut membantah dugaan bahwa lelehan tersebut menghasilkan pengurangan besar dalam viskositas jangka panjang.

Perbedaan tersebut melibatkan skala waktu serta komposisi material. Gelombang gempa bumi menyelidiki bagaimana batuan merespons dalam hitungan detik, sementara pergerakan lempeng melibatkan deformasi yang terakumulasi dalam periode yang jauh lebih lama. Lelehan dapat mengubah respons cepat tersebut cukup untuk memperlambat gelombang tanpa menjadi pengendali utama aliran mantel yang lambat.

Temuan tersebut menunjukkan bahwa variasi bertahap dalam suhu dan tekanan merupakan faktor utama yang mengendalikan kelemahan astenosfer. Ahli geofisika Brown University, Karen Fischer, salah satu penulis dan pembimbing doktoral Hua, menekankan pentingnya memahami faktor-faktor pengendali tersebut. Menentukan mengapa lapisan tersebut lemah membantu menjelaskan kondisi yang memungkinkan tektonik lempeng beroperasi.

Namun, penelitian ini tidak membuktikan bahwa peleburan secara mekanis tidak relevan di setiap lingkungan. Peneliti bersama Thorsten Becker dari Texas University, mencatat bahwa efek lokal masih dapat berpengaruh. Sebaliknya, perbandingan global menantang gagasan bahwa peleburan parsial yang meluas menyediakan mekanisme pelemahan tambahan utama di seluruh astenosfer.

Penelitian ini juga menyisakan pertanyaan mengenai waktu terjadinya tektonik lempeng yang belum terjawab. Pemetaan sifat mantel saat ini saja tidak dapat menentukan kapan Bumi pertama kali mengembangkan pergerakan lempeng. Identifikasi lelehan juga tidak secara langsung mengukur pengaruhnya pada setiap wilayah, karena kesimpulan mekanis bergantung pada interpretasi seismik dan model aliran.

Untuk model interior Bumi, hasil ini menawarkan perbedaan yang berguna antara mendeteksi lelehan dan memberikannya peran mekanis. Kecepatan seismik yang rendah tidak secara otomatis dapat diterjemahkan menjadi viskositas yang sangat rendah. Tantangan yang tersisa adalah menjelaskan kelemahan astenosfer sambil tetap memperhatikan perilaku berbeda yang tercatat oleh gelombang gempa dan deformasi jangka panjang.