Penelitian Ungkap Lelehan Mantel Bumi Tak Banyak Menggerakkan Lempeng

Keberadaan batuan yang meleleh sebagian di bawah permukaan Bumi ternyata tidak serta-merta membuat lempeng tektonik bergerak lebih mudah. Analisis seismik global menunjukkan bahwa lelehan tersebut tersebar di wilayah luas, tetapi pengaruhnya terhadap kelemahan mekanis mantel kemungkinan jauh lebih kecil daripada dugaan sebelumnya, dilansir dari Detik iNET. Temuan yang diterbitkan dalam Nature Geoscience ini berasal dari penelitian ilmuwan Brown University, Texas University di Austin, dan Cornell Universitas.

Tim peneliti menggunakan rekaman gempa untuk mempelajari struktur bagian dalam Bumi yang tidak dapat diperiksa secara langsung. Junlin Hua memulai penelitian tersebut ketika menjadi mahasiswa doktoral di Brown University, kemudian memimpin penelitian saat menjalani masa pascadoktoral di Texas University. Kajian ini membedakan dua persoalan penting, yakni lokasi terjadinya peleburan batuan dan faktor yang membuat mantel Bumi mampu mengalami deformasi secara perlahan.

Litosfer merupakan lapisan kaku yang mencakup kerak Bumi dan bagian paling atas mantel. Di bawahnya terdapat astenosfer, wilayah mantel yang lebih mudah mengalami deformasi dan memungkinkan lempeng tektonik bergerak di atas material yang lebih dalam.

Meskipun sebagian besar material mantel tetap berbentuk padat, batuan di dalamnya dapat berubah bentuk dalam rentang waktu geologis. Kemampuan tersebut berkaitan dengan viskositas, yaitu ukuran resistensi suatu material terhadap aliran. Peleburan parsial telah lama dipertimbangkan sebagai salah satu faktor yang memengaruhi sifat mekanis mantel. Cairan yang berada di antara butiran mineral padat berpotensi mengubah respons batuan, tetapi besarnya pengaruh tersebut terhadap pergerakan lempeng masih menjadi pertanyaan.

Untuk menyelidiki persoalan itu, para peneliti memusatkan perhatian pada batas bawah wilayah mantel yang memperlambat gelombang seismik. Batas atas wilayah berkecepatan rendah tersebut telah ditemukan dalam penelitian sebelumnya, sedangkan batas bawahnya lebih sulit ditentukan.

Analisis ribuan rekaman gempa

Tim mengumpulkan data dari 716 stasiun seismik permanen yang tersebar di berbagai wilayah dunia. Setelah melalui pemeriksaan kualitas, sebanyak 184.340 pengukuran fungsi penerima digunakan untuk mengidentifikasi perubahan struktur internal Bumi berdasarkan respons gelombang gempa. Metode tersebut memanfaatkan gelombang S yang berubah menjadi gelombang P ketika berinteraksi dengan batas material di dalam Bumi.

Karena kedua jenis gelombang memiliki karakter gerakan berbeda, perubahan sinyalnya dapat membantu mengungkap sifat batuan serta kedalaman batas lapisan. Hasil analisis menunjukkan sinyal yang jelas di sekitar kedalaman 150 kilometer di bawah banyak stasiun. Pada kedalaman tersebut, kecepatan gelombang seismik meningkat, menandakan bahwa gelombang meninggalkan lapisan di atasnya yang memiliki kecepatan lebih rendah.

Di lokasi yang memperlihatkan kedua batas wilayah tersebut, ketebalan rata-rata lapisan berkecepatan rendah mencapai sekitar 65 kilometer. Namun, pola ini tidak ditemukan secara merata di seluruh lokasi pengamatan.

Bukti kuat mengenai batas tersebut ditemukan di 160 stasiun, sedangkan 240 stasiun lainnya memberikan bukti yang lebih lemah. Hasil yang bervariasi ini menunjukkan bahwa wilayah yang mengandung lelehan tidak dapat langsung dianggap sebagai lapisan cair yang menyelimuti seluruh planet tanpa terputus. Para peneliti juga menegaskan melalui interpretasi mereka bahwa batas yang terdeteksi bukanlah dasar seluruh astenosfer. Batas tersebut lebih tepat dipahami sebagai bagian terbawah dari wilayah yang sangat lambat dan diperkirakan mengandung lelehan, sementara mantel yang lebih lemah dapat berlanjut di bawahnya.

Lelehan ditemukan di wilayah yang luas

Lokasi batas seismik tersebut lebih sering bertepatan dengan wilayah yang menurut model lain memiliki suhu mantel atas relatif tinggi. Polanya ditemukan di bawah kawasan samudra maupun benua, termasuk daerah di luar wilayah yang dikenal berkaitan dengan titik panas vulkanik.

Untuk memeriksa penyebab sinyal tersebut, tim membandingkan perilaku gelombang dalam model dengan variasi suhu, komposisi mineral, dan kandungan air. Perhitungan yang memasukkan peleburan parsial menghasilkan karakteristik yang sesuai dengan sejumlah temuan utama dari pengamatan seismik. Model tersebut mendukung keberadaan batuan yang mengandung sedikit lelehan di atas batas yang teridentifikasi. Besarnya fraksi lelehan diperkirakan sekitar 1% atau kurang, bergantung pada model yang digunakan.

Peneliti kemudian menguji apakah hasil analisis dipengaruhi oleh stasiun yang berada di dekat zona penunjaman, yaitu kawasan tempat satu lempeng tektonik bergerak ke bawah lempeng lainnya. Setelah stasiun tersebut dikeluarkan, hubungan antara batas seismik dan kecepatan mantel yang rendah sebagian besar tetap terlihat. Analisis terpisah terhadap stasiun di wilayah samudra dan benua juga menghasilkan pola yang secara umum serupa. Selain itu, komposisi kimia sampel basal yang meletus di berbagai belahan dunia digunakan untuk memperkirakan suhu serta kedalaman tempat magma awal mencapai kesetimbangan.

Perkiraan dari sampel basal tersebut sesuai dengan kemungkinan bahwa peleburan mulai terjadi di dekat kedalaman batas seismik yang ditemukan. Kecocokan ini memberikan dukungan tambahan terhadap interpretasi bahwa lapisan berkecepatan rendah mengandung lelehan parsial. Melalui ekstrapolasi hasil stasiun ke wilayah dengan kecepatan mantel yang sebanding, peneliti memperkirakan batas tersebut mungkin terdapat di bawah sekitar 44% luas permukaan Bumi.

Angka ini merupakan hasil perkiraan berbasis model, bukan hasil deteksi langsung pada setiap bagian wilayah yang dihitung. Cakupan pengamatan yang belum merata menjadi salah satu keterbatasan penelitian. Sebagian besar stasiun seismik berada di benua, sehingga keterbatasan data dari kawasan samudra dapat memengaruhi ketepatan perkiraan luas penyebaran tersebut.

Mengapa lelehan tidak otomatis melemahkan mantel

Persoalan utama penelitian ini bukan hanya keberadaan material cair, melainkan pengaruhnya terhadap aliran batuan dalam jangka panjang. Untuk menilainya, peneliti membandingkan anisotropi seismik di wilayah yang memiliki batas dengan wilayah yang tidak menunjukkan batas serupa.

Anisotropi seismik menggambarkan perbedaan kecepatan gelombang berdasarkan arah rambatnya. Karakteristik tersebut dapat memberikan petunjuk mengenai susunan kristal mineral yang terbentuk ketika batuan mantel mengalami deformasi. Apabila lelehan parsial secara signifikan menurunkan viskositas mantel, pola deformasi diperkirakan berubah menurut kedalaman.

Tim menguji kemungkinan ini menggunakan model aliran mantel satu dimensi dan tiga dimensi untuk memperkirakan karakteristik anisotropi yang seharusnya muncul. Hasil pengamatan tidak memperlihatkan perbedaan anisotropi yang signifikan antara wilayah dengan batas seismik dan wilayah tanpa batas tersebut. Dengan demikian, meskipun kecepatan gelombang di daerah yang diperkirakan mengandung lelehan lebih rendah, bukti yang tersedia tidak mendukung penurunan viskositas jangka panjang dalam skala besar akibat peleburan parsial.

Perbedaan ini berkaitan dengan cara batuan merespons tekanan pada rentang waktu yang berlainan. Gelombang gempa mengukur respons material dalam hitungan detik, sedangkan pergerakan lempeng melibatkan deformasi yang berlangsung sangat lama.

Lelehan dapat memengaruhi respons batuan terhadap gelombang seismik tanpa menjadi faktor utama yang menentukan aliran mantel dalam jangka panjang. Karena itu, kecepatan gelombang yang rendah tidak selalu menunjukkan bahwa material di bawahnya memiliki viskositas yang sangat rendah.

Suhu dan tekanan tetap berperan penting

Hasil penelitian mengarah pada peran penting variasi suhu dan tekanan dalam mengendalikan kelemahan astenosfer. Karen Fischer, ahli geofisika Brown University sekaligus salah satu penulis dan pembimbing doktoral Hua, menekankan pentingnya memahami faktor yang menentukan sifat mekanis lapisan tersebut. Pemahaman mengenai penyebab kelemahan astenosfer diperlukan untuk menjelaskan kondisi yang memungkinkan tektonik lempeng berlangsung. Penelitian ini menunjukkan bahwa keberadaan lelehan dan kemampuan mantel mengalir merupakan dua hal yang berkaitan, tetapi tidak dapat dianggap sebagai fenomena yang identik.

Thorsten Becker dari Texas University, yang terlibat sebagai peneliti bersama, mencatat bahwa pengaruh lelehan secara lokal masih mungkin terjadi. Temuan global tersebut tidak membuktikan bahwa peleburan sama sekali tidak memiliki dampak mekanis di setiap lingkungan, tetapi menantang pandangan bahwa peleburan parsial yang tersebar luas merupakan mekanisme tambahan utama yang melemahkan seluruh astenosfer. Penelitian ini juga belum menjawab kapan tektonik lempeng pertama kali berkembang di Bumi.

Pemetaan kondisi mantel pada masa sekarang tidak cukup untuk menentukan waktu awal munculnya pergerakan lempeng. Selain itu, identifikasi lelehan tidak secara langsung mengukur pengaruh mekanisnya di setiap lokasi. Penafsiran mengenai dampak tersebut tetap bergantung pada bukti seismik dan model aliran mantel yang digunakan dalam penelitian.

Temuan ini memberikan pembedaan penting bagi pemodelan interior Bumi: mendeteksi lelehan tidak otomatis membuktikan bahwa lelehan tersebut menjadi penyebab utama kelemahan mekanis mantel. Penjelasan mengenai perilaku astenosfer masih perlu mempertimbangkan perbedaan antara respons batuan terhadap gelombang gempa dan deformasi yang terakumulasi selama waktu geologis.