The Plume‐Hotspot Connec2on, Plate Tectonics and the Remarkable Character of the CMB Region:  

A global perspec2ve on mantle heterogeneity 

Mark Jellinek University of Bri2sh Columbia 

Kellogg et al. (1999) 

Jellinek and Manga (2004) 

Tackley (1998, 2000) 

Davaille (2002) 

A selec've anthology of cartoons related to global T and C heterogeneity: Different pictures, different goals  

Tackley (2008) 

Stacey,  1992 

Li and Zhong (2009)  T & C heterogeneity: concepts 

⇒ “Inherent”: Ini2al mantle composi2on and structure  ⇒  Introduced at the boundaries via subduc2on and plume rise ⇒  Modified by mantle s2rring, phase changes and differen2a2on processes (e.g., mel2ng) 

Some Mo'va'ons ⇒ Hidden ICE reservoir (e.g.,142Nd/144Nd, missing 40Ar) ⇒ Superswells ⇒ Variable slab penetra2on and mantle layering ⇒ Plates, plumes, CMB structure ⇒ Supercon2nent cycles and plume/LIP frequency ⇒ Magne2c field structure and dynamics ⇒ Earth’s various wobbles 

Kellogg et al. (1999) 

Jellinek and Manga (2004) 

Tackley (1998, 2000) 

Davaille (2002) 

A selec've anthology of cartoons related to global T and C heterogeneity: Different pictures, different goals  

Tackley (2008) 

Stacey,  1992 

Li and Zhong (2009)  T & C heterogeneity: concepts 

⇒ “Inherent”: Ini2al mantle composi2on and structure  ⇒  Introduced at the boundaries via subduc2on and plume rise ⇒  Modified by mantle s2rring, phase changes and differen2a2on processes (e.g., mel2ng) 

Kellogg et al. (1999) 

Jellinek and Manga (2004) 

Tackley (1998, 2000) 

Davaille (2002) 

A selec've anthology of cartoons related to global T and C heterogeneity: Different pictures, different goals  

Tackley (2008) 

Stacey,  1992 

Li and Zhong (2009)  What do we see, how do we see it? 

Which of these pictures do “the data” permit? 

Which of these pictures do “the data”demand? 

How do we choose one…?  

Concluding Remark:  Heterogeneity in the plume source region is inherited from the beginning, introduced at the boundaries and modified by 2me‐dependent mantle s2rring 

Building understanding of the T & C heterogeneity story told by ocean islands: ⇒ Early Earth differen2a2on ⇒ Mantle Structure (mineral physics) ⇒ Plate tectonics and supercon2nent cycles: Mantle S2rring ⇒ Thermochemical mantle plumes ⇒ Geodynamo ⇒ Climate and climate variability over long 2me scales ⇒ Dynamics of mel2ng, extrac2on and magma mixing in the mel2ng region  

“Earth system science”: A key to making progress ⇒ Involve mul2ple classes of observa2onal constraint in a rigorous and restric2ve way.  

Spherical Harmonic Degree 

Power 

Big (deg. 1 => ~ Earth Circumference) 

Scale at which a class of heterogeneity goes “IN” to mantle flow 

Scale “OUT” (e.g., by diffusion) 

Resolu2on Limit: Smallest thing we can resolve with a given method 

Small (deg. 1000 => ~ Earth Circumference/1000) 

A global mixing problem: Characterizing and understanding T & C Heterogeneity length scales through 2me 

To what extent can current global seismic imaging constrain geodynamic models? 

Ritsema et al, 2007 

Chemical layering introduced by subd: mel2ng, phase changes etc. (via PERPLEX + new min phys)  

Red: Tomography Ritsema, 2004 Blue: Bull et al., 2009 Preferred 

Nakagawa et al., 2010 

Tomographic “filtering” of two geodynamic models  => combined T & C spectra from models with dis'nct ini'al mantles are not very different 

Deep Mantle Only 

“Primordial” Chemical Layering: Pyrolite + density perturba2on    

Vsurf Strain Rate 

Con2nents => 

T, Plates, Plumes => 

A State‐of‐the‐art model: What do we want out of this? 

⇒ What specific predic'ons would we like to make?  ⇒ What data sets do we require?  Höink et al., in prep 

Understanding L‐ and t‐scales:  What are some of the physical problems involved? 

Heterogeneity from ini'al core/mantle diff. •   Radial mantle structure: Composi2on; rheology; Incompa2ble element distribu2on 

Heterogeneity introduced at boundaries Surface Plates •  Wavelength and shape: Lg. scale mantle s2rring •  Ver2cal structure: Mean T; Comp.; Rheology •  Subduc2on physics and plate boundary rheology •  Con2nents: Thermal and mechanical effects  •  Slab/wedge/asthenosphere mineral Physics: Mel2ng; Degassing; Phase changes etc. •  Ridge hydrothermal processes •  Climate/ocean variability on long 2me scales 

CMB region: Mantle Side •  Lateral and ver2cal structure: Composi2on; Rheology •  Mantle plume physics w/, w/o C‐layering •  Mineral Physics: Mel2ng; phase changes; P‐dependent phys. Props, etc. •  Dynamo: Existence, dynamics and structure of M‐field •  Rota2onal dynamics at all 2me scales (TPW => LOD) 

Heterogeneity spectrum modified internally •  Mantle conv. regime: S2rring to small scales •  Radial mantle structure: Density; rheology 

Heterogeneity from ini'al core/mantle diff. •  Geochemical Mass Balances and BSE •  Inner core size, age •  Paleointensity over the age of Earth •   Time‐averaged magne2c field structure 

Heterogeneity introduced at boundaries Surface Plates •  Plate reconstruc2ons (including age distribu2on) •  Maps: seafloor composi2on, g, topography, Telas2c, mag., stress, heaolow, permeability, conduc2vity, etc. •  Seismology: Plate structure, anisotropy, damage etc. •  Arc  Volcanism: Erup2on rates, distribu2on, composi2on •  MORB & OIB geochemistry •  Chemical cycles (e.g., C, S, others) •  Geometry and composi2on of ridge hydrothermal systems •  Mineral Physics CMB region •  Ver2cal and lateral seismic velocity structure •  Spa2al Correla2ons: HS and heterogeneity; Pacific sec. var  •  Variable HS B‐flux / excess T & OIB geochem •  Time‐averaged magne2c field structure •  Magne2c reversal frequency ; VGP behavior •  Earth’s “wobbles”: g and EM coupling across CMB •  Inner core structure, size and age •  Mineral physics (incl. TE par22oning) •  Climate variability over long 2me scales 

What are some constraints? 

Heterogeneity from ini'al core/mantle diff. •  Geochemical Mass Balances and BSE •  Inner core size, age •  Paleointensity over the age of Earth •   Time‐averaged magne2c field structure 

Heterogeneity introduced at boundaries Surface Plates •  Plate reconstruc2ons (including age distribu2on) •  Maps: seafloor composi2on, g, topography, Telas2c, mag., stress, heaolow, permeability, conduc2vity, etc. •  Seismology: Plate structure, anisotropy, damage etc. •  Arc  Volcanism: Erup2on rates, distribu2on, composi2on •  MORB & OIB geochemistry •  Chemical cycles (e.g., C, S, others) •  Geometry and composi2on of ridge hydrothermal systems •  Mineral Physics CMB region •  Ver2cal and lateral seismic velocity structure •  Spa2al Correla2ons: HS and heterogeneity; Pacific sec. var  •  Variable HS B‐flux / excess T & OIB geochem •  Time‐averaged magne2c field structure •  Magne2c reversal frequency ; VGP behavior •  Earth’s “wobbles”: g and EM coupling across CMB •  Inner core structure, size and age •  Mineral physics (incl. TE par22oning) •  Climate variability over long 2me scales 

What are some constraints? 

What is the story told by ocean islands? 

⇒ Thermal regime: Plate tectonics, lower mantle chemical heterogeneity and the structure of plumes 

⇒ Composi'on: Entrainment physics 

⇒ Some key constraints (real and imagined) 

Cold thermal boundary layer!

Hot thermal boundary layer!

Sets Lower Boundary !Layer Temperature &!Viscosity Variation!

Determines !Thermal &!Velocity BL!Structure!

and!

Upwelling !Morphology!

Plate Tectonics!is a 1st-Order!Control on CMB!Dynamics !

Montelli et al., 2004 

Plume Heads and Tails  Plume/Hotspot Taxonomy: Shape and strength vary 

Hotspots and Topography on Chemical Piles (see Thorne et al., 2004) 

Duncan and Richards, 1990 

Williams and Garnero., 1998 

Supercon'nent cycles and LIP events:  ‐Time‐dependent T & C mixing ‐Length scales vary episodically over geological 2me 

Zhong et al., 2007; Li et al., 2009 

Supercon'nent Cycles and long‐term climate change (Lenardic, Jellinek et al., in prep) 

Key Features of Cretaceous: 1)  100 Myr “Hothouse” (mostly) 2)  High LIP Frequency 3)  Variable Reversal Frequency: 

a) High Frequency during Jurassic; b) K –superchron 

4) CAMP & NAVP 

Models: 1)  Enhanced outgassing 2)  “Strong subduc2on” and 

subcon2nental warming 3)  a)High equatorial CMB heat 

flow.  b) Low, asymmetric equatorial CMB heat flow 

4) Mantle thermal “isola2on to mixing” 

Supercon'nent Cycles: Long‐term climate change, LIP frequency and the geodynamo 

Observa'ons and inferences: Plumes and the structure of the CMB region 

Do we really see plumes extending to (or near) the CMB in tomographic models?  (Boschi, Becker and Steinberger, 2008) 

Sta2onary HS source 

Moving HS sources 

“Large Low Shear Velocity Provinces” (LLSVPs): Africa and Pacific features are dis2nct in thickness and possibly density 

Ni et al. 2002

(Ni and Helmberger, 2003)

Deschamps et al., 2007 

Composi'onal effects dominate the heterogeneity spectrum at long wavelengths near CMB 

“Ultra Low Velocity Zone” (ULVZ): 6‐30% par2al melt; metallic conductance 

Asymmetries in departures from GAD in TAF: normal vs. reversed 

(0 ‐ 5 Myr) Johnson et al., 2004 

Magne2c field behavior sensi2ve to CMB thermal structure 

Brunhes: Normal  Matuyama: Reversed 

Time‐averaged field structure: Persistent Varia2ons in la2tude and longitude 

Variable reversal rates & large dipole moment during K‐superchron 

Aubert, Tarduno and Johnson, 2010 

(Aubert, Tarduno and Johnson, 2010) 

Some of the dynamics of the CMB region and some predic'ons 

Simple Composite

Tm

TBL

DL

K1 , d1

K2 , d2

Tc

Ti

Core

TBL K1 , d1

Tc

Tm

qcore= f(Ram)

Composite + convection

TBL

DL

Tm

Ti

Tc

qcore= f(Ram , Bi)

Se]ng up a heat transfer problem at CMB: 3 classes to start with 

qcore= f(Ram , Bieffective, B, λd)

TiDL 

Ritsema, 2004 

What are the excess temperatures carried by plumes?  Why do they vary spa'ally? 

‐  Stable topography possible. ‐  Convec2on(t) ‐  Entrainment(t) 

V1(t) 

V2(t), M2(t) 

‐Large amplitude oscilla2on i.e. A ≥ d. ‐Entrainment / mixing:  Oscilla2on is assymetric.  

h2(t)  M2(t) 

B  

qcore= f(x,t) qcore= f(x,t) 

V 

‐Cusp‐like topography ‐ Stable plumes on topography ‐ Steady flow in TBL ‐ Entrainment from DL 

qcore= f(x,t) 

0.5  1.0 

Davaille et al., 2005  Jellinek and Manga, 2004 

Dense layer dynamics: Role of comp/thermal buoyancy ra'o in lab experiments    

λd >1 

λd <1 

Davaille, 1999; Davaille et al., 2005 

Doming  Stra2fied 

λd << 1 

=> How does the dense layer behave in 'me?  How long will it last?    

Convec2on(t): TBL, DL Entrainment into both 

V1(t) 

V2(t), M2(t) 

Oscilla2on & (assymetric)  Entrainment 

h2(t)  M2(t) 

B 

qcore= f(x,t)  qcore= f(x,t) 

V 

Steady flow in TBL Entrainment from DL Spa2ally‐stable plumes 

qcore= f(x,t) 

0.5  1.0 

McNamara and Zhong, 2005 and PC 

Dense layer dynamics in a sphere: Similar 

Some thermal effects of the dense layer dynamics: •  Plume structure and excess temperature (and their global variability) •  Plume frequency  •  Time‐dependence: Supercon2nental cycles and incomplete mantle thermal mixing 

2 Plume Types in 1 Mantle: Variability in plume structure NOT a surprise (Lenardic and Jellinek, 2009)

-Chemical Layer Absorbs Portion of CMB Temperature Drop

-Alters Local Viscosity Contrast Across Active Part of Lower Thermal Boundary Layer

-Leads To Two Morphologic Plume Types

-Variations in layer Thickness or effective K with mantle stirring Lead to changes in B-flux And excess T.

Diapir !Plume!

Cavity !Plume!

after Olson & Singer 1985

time evolution

Chemical Pile!

B >> 1 

Hawaiian‐Emperor seamounts: An abrupt 4‐5 fold reduc2on in dense layer thickness? 

Vidal and Bonneville, 2004 

Some of the composi'onal effects of the dynamics of the CMB region: •  Plume composi2on: Entrainment from chemical piles and ULVZ material. 

Bull et al., 2009 

 Isotopic variability in erupted lavas may constrain the heterogeneity spectrum of the source region* (Farnetani and Hoffman, 2009, 10;  see also Kerr and Meriaux, 2004) 

*depending on the magma mixing proper2es of the mel2ng region! 

McNamara et al., 2010 

Entrainment from chemical piles (LLSVP) 

Jellinek and Manga, 2004 

Temperature 

Composi2on 

Kea‐Loa trend: Bilateral asymmetry in HI plume? 

Is the Loa trend indica've of the composi'onal structure of chemical piles? 

Why did the Loa trend emerge only about 4 million yrs ago? 

Why is their greater isotopic variability in the Loa basalts? 

Hernlund and Jellinek, 2010 

ULVZ Entrainment physics: What is being entrained? 

ULVZ 

ULVZ entrainment   Currently: Homogeneous sampling;  Past: Probably not 

Early Earth  Current ULVZ 

Hernlund and Jellinek, 2010 

R=10  R=0.1 

Past: Larger H  Current picture 

Buffet et al., 2002 and PC

Nuta2ons (EM coupling across CMB): Sloshing coffee cup 

VGP paths during reversals (Cos2n and Buffet, 2003) 

ULVZ proper'es:  Par'al melt‐outer core interac'on =>  metallic conductance 

Evidence of ULVZ in the plume source? Entrainment of a par'al melt with a lible core material? 

Modified from Brandon et al., 1999

MORB

Plume

Outer core signature in plume source? 

See Helffrich and Kaneshima, 2010 

Evidence of ULVZ in the plume source:  TE signatures depend on origin of the ULVZ  

Hirose et al., 2004 

Labrosse et al., 2007 

ULVZ  from BMO (normalized to BSE) 

ULVZ  from mel2ng CaPv in N‐MORB crust (Normalized to N‐MORB) 

Concluding Remark:  Heterogeneity in the plume source region is inherited from the beginning, introduced at the boundaries and modified by 2me‐dependent mantle s2rring 

Building understanding of the T & C heterogeneity story told by ocean islands: ⇒ Early Earth differen2a2on ⇒ Mantle Structure (mineral physics) ⇒ Plate tectonics and supercon2nent cycles: Mantle S2rring ⇒ Thermochemical mantle plumes ⇒ Geodynamo ⇒ Climate and climate variability over long 2me scales ⇒ Dynamics of mel2ng, extrac2on and magma mixing in the mel2ng region  

“Earth system science”: A key to making progress ⇒ Involve mul2ple classes of observa2onal constraint in a rigorous and restric2ve way.  

Kellogg et al. (1999) 

Jellinek and Manga (2004) 

Tackley (1998, 2000) 

Davaille (2002) 

A selec've anthology of cartoons related to global T and C heterogeneity: Different pictures, different goals  

Tackley (2008) 

Stacey,  1992 

Li and Zhong (2009)  What do we see, how do we see it? 

Which of these pictures do “the data” permit? 

Which of these pictures do “the data”demand? 

How do we choose one…?