Hvordan er havbunden lavet?
gå ombord på et skib i Los Angeles og kør mod sydvest, indtil du mister land af syne. Fortsæt derefter, og gå, og gå, indtil du når midten af intetsteds i Stillehavet. Der er intet at se der, men vand i alle retninger. Men hvis du havde været der i December 2011, ville du have stødt på et skib, der sejler i et ejendommeligt mønster. Det bevægede sig øst og vest og Nord og syd og omkring en halvcirkel. Og hele tiden brød en springvand af boblende havvand ud bag skibet hvert fjerde minut som urværk.
dette var ikke en militær øvelse eller et signal til UFO ‘ er eller noget mærkeligt luksuscruise. Passagererne på forskningsskibet Marcus G. Langseth var forskere, og de store bobler kom fra luftvåben, der udsendte trykluft. Boblerne brister med høje pops og sender lydbølger ned gennem vandet og under havbunden. Lydbølgerne genklang gennem underjordiske klipper og blev optaget af lytteudstyr placeret på havbunden. Ligesom flagermus, der navigerede ved ekkolokalisering, brugte forskerne lyd til at kompensere for manglende syn, da de undersøgte klipperne, der ligger under havet.
nu undrer du dig måske over, hvorfor vi forskere specifikt målrettede midt i Stillehavet. Klipperne under Stillehavet er en del af Stillehavets tektoniske plade, en af omkring et dusin store plader, der udgør det skøre ydre lag på vores planet og passer sammen som brikkerne i et puslespil. Tektoniske plader bevæger sig rundt som gigantiske, langsomme kofangerbiler, bygger bjergkæder, når de kolliderer, ryster planeten med jordskælv, når de glider og går i stykker, og gradvist konstant omorganiserer verdenskortet.forskere har studeret oceaniske plader i detaljer nær de skiftende grænser mellem plader og nær unikke træk som f.eks. Men vi ved ikke rigtig, hvordan en” normal ” oceanisk plade ser ud. Du kan tænke på det på denne måde: Forestil dig, at moderne medicin vidste alt, hvad der er at vide om sjældne genetiske sygdomme, men ingen kunne være enige om gennemsnitstemperaturen for en sund menneskekrop.
det er mere eller mindre situationen med marine geofysikere og almindelige oceaniske plader—dermed Skibet midt i ingenting. Dette sted i Stillehavet er så normalt som de kommer. Havbunden her er omkring 70 millioner år gammel. Det sidder langt fra komplikationerne af pladegrænser og vulkanske hotspots. Hvis vi vil finde ud af det grundlæggende i en oceanisk plade—hvordan en almindelig plade er lavet, og hvordan den ændrer sig over tid—er midten af ingenting præcis, hvor vi vil være.
lytter efter ekkoer
forskerne ombord på Langseth kunne ikke se eller røre ved den faste havbund langt under skibets skrog. Selvom de kunne komme ned til bunden af havet, er de klipper, vi er interesseret i, miles længere nede, dybt under havbunden. Hvordan kan du studere noget så utilgængeligt? Ved at sende lydbølger ned og optage ekkoerne, der vender tilbage, efter at lyden har rejst gennem undergrunden. Den tid, det tager for lyden at rejse fra lydkilden til et seismometer i havbunden, der lytter på havbunden, kan fortælle os om, hvad der er under overfladen-fordi lydens hastighed afhænger af sammensætningen og strukturen af det materiale, lydbølgen bevæger sig igennem, samt temperaturen og trykket, som materialet er under.
denne teknik kaldes seismologi med aktiv kilde-i modsætning til passiv seismologi, hvor jordskælv giver en naturligt forekommende, men ukontrolleret lydkilde. Det er ikke en perfekt teknik. Men ved at lytte til ekkoer og efterklang fra den intermitterende boblende vågne efter skibet, vi kan finde spor tilbage i klipperne, da de smeltede, flød, afkølet, og revnet over titusinder af år. Og vi kan begynde at spore historien om et almindeligt stykke oceanisk plade.
forskerne på Langseth indsamlede data over en plet af havbunden omkring 400-ved-600 kvadratkilometer (250-ved-375 kvadrat miles), der måler hastigheden af lydbølger, der rejser i forskellige retninger. Dataene viser, at lyden bevæger sig omkring 0,6 kilometer i sekundet (2.000 fod i sekundet) hurtigere mod øst og vest end at gå nord og syd på dette sted. Vi forventede at finde det, give eller tage et par procent. Men dataene viser også noget andet: Hastigheden af lydbølgerne, der går øst og vest, øges, når du går dybere ind i dette stykke oceaniske plade, men nord–syd lydhastighed forbliver konstant. Hvad kan dette fortælle os om, hvordan tektoniske plader dannes?
smeltning og strømning
oceaniske plader smides kontinuerligt ved mid-ocean ridges, en undersøisk bjergkæde oprettet, hvor kanterne på to plader adskilles. Hvis du kunne sidde lige under en højderyg, ville du se klipper fra Jordens kappe—det varme lag, der ligger til grund for skorpen—smelte og sive op mod sømmen mellem de to plader. Den smeltede sten afkøles for at danne skorpen. Den nye skorpe trækkes langsomt ud og væk fra ryggen, når de to plader bevæger sig fra hinanden, hvilket giver plads til smeltet kappe.
den øverste del af kappen flyder også sideværts sammen med den sprøde skorpe, afkøling og styrkelse, når den bevæger sig væk fra ryggen. Misforstå mig ikke-denne flydende øvre kappe er stadig solid rock. Nøglen her er tid. For korte (menneskelige) mængder tid opfører den øvre mantel sig som et solidt, men i løbet af millioner af år kan de varme ting under ryggen sive sammen med skorpen. Det er ligesom fjollet kit: Slå det hurtigt med en hammer, og det knuses, men tryk det langsomt med din hånd, og det klemmer bare. Pladen som helhed er lavet af skorpen plus den faststrømmende øverste kappe. De bevæger sig sammen som en stiv krop, skubbet ud fra ryggen over titusindvis af år.
mantel, der flyder ved højderyggen, har en varig virkning: det justerer krystaller inden i klipperne i det øverste mantel, så de peger i retning af strømmen. Denne krystaljustering bliver frosset ned i pladen, når den bevæger sig væk fra højderygets varme. Forestil dig, hvad der sker, hvis du taber en lastbil med træstammer i en hurtigstrømmende flod. Logfilerne vil jostle og dreje i strømmen, indtil de alle peger nedstrøms. Disse krystaller gør det samme, kun i en meget langsommere form for strømning. Vi kalder denne justering af krystaller et “stof.”Ligesom vævet klud har den nogle retninger indbygget i den.
det krystalstof er det, der får lydbølger til at rejse hurtigere øst og vest end Nord og syd på vores studiested i Stillehavet. Hvordan fungerer det? Tænk på en af de træstammer, der flyder i en flod. Det kræver mindre kraft at opdele en log med kornet, end det gør at save mod kornet. Vi geofysikere siger, at logfiler er anisotropiske: logens styrke er ikke (an) den samme (iso), hvis du vender (tropos) loggen til en anden retning.
lydens hastighed er også anisotropisk: lyden bevæger sig hurtigere med, snarere end imod, kornet. Når mantelstrømmen justerer krystaller i klipper for at pege væk fra ryggen, vil lyd, der bevæger sig i den retning gennem klipperne, bevæge sig hurtigere. Dette anisotropiske krystalstof er en underskrift af pladedannelse, som vi har målt 70 millioner år senere, ude i Stillehavet.
køling og krakning
men det er ikke helt hele historien. Vi har også målt, hvordan lydhastigheden ændres på forskellige dybder under havbunden, og krystaljustering forklarer ikke, hvorfor øst-vest lydbølger bevæger sig hurtigere, når de bevæger sig gennem klipper dybere ind i pladen. For at finde ud af dette, vi er nødt til at se forbi højderyggen og se, hvad der skete med vores plade mellem det tidspunkt, den dannede og i dag.
pladen starter varm ved mid-ocean ridge. Over tid absorberer det kolde havvand, der sidder på toppen, den varme, og pladen stivner, fortykker og trækker sig sammen. Der dannes små revner. Du kan se lignende former for termisk sammentrækning på veje og fortove. Efter en hård vinter dukker der revner op, hvor fortovet faldt i kulden. I oceaniske plader har termiske revner tendens til at danne sig parallelt med ryggen.
disse justerede revner skaber også anisotropi. Lydbølger, der rejser parallelt med revner, påvirkes ikke af dem, men bølger, der forsøger at gå vinkelret eller i en vinkel gennem revnerne, sænkes. De mikroskopiske revner, som vi mener er i pladens øverste kappe, kan delvis annullere krystalstofets anisotropi fra mantelstrømmen.
men jo dybere vi går i vores plade, jo mere overliggende klipper øger trykket på klipperne under dem, komprimerer revnerne og klemmer dem lukket. Og det giver vores bedste forklaring på vores observationer: På lave dybder modvirker revnerne krystalstoffet, men når trykket stiger dybere ned, lukker revnerne, og vi ser de fulde effekter af krystaljustering.
lytter til jorden
der skete meget med denne almindelige oceaniske plade over 70 millioner år. Vi har fundet spor af smeltning, mantelstrøm, afkøling og sprød krakning, alt afsløret ved at bruge ekkoer af lydbølger, der passerer gennem undergrunden.
det er ret bemærkelsesværdigt, at vi kan dechiffrere historien om en tektonisk plade på dette niveau. I de tidlige dage af pladetektonisk teori, forskere ledte efter anisotropi for at fremlægge bevis for, at pladespredning i havet faktisk skete. Nu er vores målinger gode nok til at se ud over det: anisotropi koder for information om pladespredning og om andre processer, der ændrer pladen millioner af år efter, at krystallerne først blev justeret ved ryggen.
hvad kan vi ellers lære af anisotropi? Kunne vi bruge det til at afsløre og kortlægge “strømme” af sten, der strømmer i Jordens indre, som vi kan for havstrømme? Ikke helt endnu, men nye målinger giver anledning til en ny generation af spørgsmål, og når vi lytter nærmere til ekkoerne, der genlyder gennem jorden, vil vi måske høre nogle af svarene om, hvordan planetens overflade, vi kalder hjem, har dannet sig og udviklet sig.
denne forskning blev finansieret af National Science Foundation, et NSF Graduate Research stipendium, J. SEAD Johnson Fund, et Paul McDonald Fye Graduate stipendium i oceanografi og et Charles D. Hollister Graduate Student stipendium.