miten merenpohja tehdään?

astu laivaan Los Angelesissa ja suuntaa lounaaseen, kunnes menetät näköyhteyden maahan. Jatka sitten eteenpäin, kunnes saavut keskelle ei mitään Tyynellämerellä. Siellä ei ole muuta nähtävää kuin vettä joka suuntaan. Mutta jos olisit ollut siellä joulukuussa 2011, olisit kohdannut erikoisen kuvion omaavan laivan. Se liikkui itään ja länteen sekä pohjoiseen ja etelään ja puoliympyrän ympäri. Koko ajan laivan takaa purkautui kuplivaa merivettä neljän minuutin välein kuin kello.

kyseessä ei ollut sotaharjoitus tai signaali Ufoille, eikä mikään outo luksusristeily. Tutkimusalus Marcus G. Langsethin matkustajat olivat tiedemiehiä, ja suuret kuplat tulivat paineilmaa päästävistä ilmakivääreistä. Kuplat puhkeavat äänekkäinä poksahduksina, jotka lähettävät ääniaaltoja veden läpi ja merenpohjan alapuolelle. Ääniaallot kaikuivat pohjakivien läpi, ja ne tallennettiin merenpohjaan sijoitetuilla kuuntelulaitteilla. Kaikuluotauksella suunnistavien lepakoiden tavoin tutkijat käyttivät ääntä kompensoidakseen näköhäiriötä tutkiessaan meren alla olevia kiviä.

nyt saatat jo ihmetellä, miksi me tiedemiehet kohdistimme kohteemme nimenomaan keskelle Tyyntämerta. Tyynenmeren alla olevat kivet ovat osa Tyynenmeren mannerlaattaa, yksi tusinasta valtavasta laatasta, jotka muodostavat planeettamme hauraan uloimman kerroksen ja sopivat yhteen kuin palapelin palat. Mannerlaatat liikkuvat ympäriinsä kuin jättiläismäiset, hidastetut törmäilyautot, rakentavat vuorijonoja törmätessään, ravistelevat planeettaa maanjäristyksillä, kun ne luisuvat ja rikkoutuvat, ja järjestelevät vähitellen maailmankarttaa jatkuvasti uudelleen.

tutkijat ovat tutkineet merileviä hyvin yksityiskohtaisesti lähellä mannerlaattojen välisiä siirtyviä rajoja ja lähellä ainutlaatuisia piirteitä, kuten Hawai ’ i-saaria. Mutta emme oikeastaan tiedä, miltä ”normaali” valtamerilaatta näyttää. Voit ajatella sitä näin: Kuvitelkaapa, että nykyaikainen lääketiede tiesi kaiken, mitä tiedetään harvinaisista geneettisistä sairauksista, mutta kukaan ei voinut olla samaa mieltä terveen ihmisruumiin keskilämpötilasta.

tuo on enemmän tai vähemmän tilanne merigeofyysikkojen ja tavallisten valtamerilevyjen kanssa—siis laiva keskellä ei mitään. Tämä paikka Tyynellämerellä on ihan normaali. Merenpohja on noin 70 miljoonaa vuotta vanha. Se on kaukana laatan rajojen ja vulkaanisten tulipesäkkeiden aiheuttamista komplikaatioista. Jos haluamme selvittää valtamerten laatan perusasiat – miten tavallinen levy valmistetaan ja miten se muuttuu ajan myötä—keskellä ei mitään on juuri siellä, missä haluamme olla.

kaikuja kuunnellen

Langseth-aluksella olleet tiedemiehet eivät voineet nähdä tai koskettaa kiinteää merenpohjaa kaukana aluksen rungon alapuolella. Vaikka he pääsisivät meren pohjaan, kalliot, joista olemme kiinnostuneita, ovat kilometrien päässä, syvällä merenpohjan alla. Miten voit opiskella jotain niin saavuttamatonta? Lähettämällä alas ääniaaltoja ja tallentamalla kaikuja, jotka palaavat, kun ääni on kulkenut pinnan läpi. Aika, joka kuluu äänen kulkemiseen äänilähteestä merenpohjan seismometriin, joka kuuntelee merenpohjaa, voi kertoa siitä, mitä pinnan alla on—koska äänen nopeus riippuu sen materiaalin koostumuksesta ja rakenteesta, jonka läpi ääniaalto kulkee, sekä lämpötilasta ja paineesta, jonka alla aine on.

tätä tekniikkaa kutsutaan aktiivilähteen seismologiaksi erotuksena passiivisesta seismologiasta, jossa maanjäristykset tarjoavat luonnossa esiintyvän mutta hallitsemattoman äänilähteen. Se ei ole täydellinen tekniikka. Mutta kuuntelemalla kaikuja ja kaikuja, jotka ovat peräisin katkonaisesta kuplivasta herätyksestä, joka seuraa laivaa, voimme löytää johtolankoja, jotka ovat jääneet kiviin niiden sulaessa, virratessa, jäähtyessä ja halkeillessa kymmenien miljoonien vuosien aikana. Voimme alkaa jäljittää tavallisen merilevyn historiaa.

langsethin tiedemiehet keräsivät tietoja merenpohjasta noin 400 x 600 neliökilometrin alueelta, jolla mitattiin eri suuntiin kulkevien ääniaaltojen nopeutta. Tiedot osoittavat, että ääni kulkee noin 0,6 kilometriä sekunnissa (2,000 jalkaa sekunnissa) nopeammin itään ja länteen kuin pohjoiseen ja etelään tällä paikalla. Odotimme löytävämme sen muutaman prosentin tarkkuudella. Mutta tiedot osoittavat myös jotain muuta: Itään ja länteen menevien ääniaaltojen nopeus kasvaa, kun mennään syvemmälle tähän valtamerilevyn osaan, mutta pohjois–etelä-äänennopeus pysyy vakiona. Mitä tämä voi kertoa mannerlaattojen muodostumisesta?

sulavat ja virtaavat

valtamerten keskiselänteisiin taotaan jatkuvasti merenalaisia laattoja, merenalaisia vuoriketjuja, jotka syntyvät kahden laatan reunojen erottuessa toisistaan. Jos voisit istua aivan harjanteen alla, näkisit maan vaipan—kuoren alla olevan kuuman kerroksen-kivien sulavan ja suodattuvan ylöspäin kohti kahden levyn välistä saumaa. Sula Kivi jäähtyy muodostaen kuoren. Uusi kuori vetäytyy hitaasti pois harjanteelta, kun kaksi levyä etääntyvät toisistaan tehden tilaa sulalle vaipalle.

vaipan yläosa virtaa myös sivusuunnassa tuon hauraan kuoren mukana jäähtyen ja vahvistuen siirtyessään pois harjanteelta. Älä käsitä minua väärin—tämä virtaava ylänurkka on yhä kiinteää kiveä. Avain on aika. Lyhyen (ihmisen mittakaavassa) ajan ylempi vaippa käyttäytyy kuin kiinteä, mutta miljoonien vuosien aikana harjanteen alla oleva kuuma aine voi tihkua kuoren mukana. Se on kuin Putty.: Lyö sitä nopeasti vasaralla ja se särkyy, mutta paina sitä kädelläsi, hitaasti,ja se vain litistyy. Levy kokonaisuudessaan on tehty kuoresta ja tuosta kiinteästi virtaavasta ylimmästä vaipasta. Ne liikkuvat yhdessä yhtenä jäykkänä kappaleena, joka työntyy ulos harjanteelta kymmenien miljoonien vuosien aikana.

harjanteella virtaavalla vaipalla on pysyvä vaikutus: se kohdistaa kiteet ylemmässä vaipassa olevien kivien sisällä niin, että ne osoittavat virtaussuuntaan. Kristallisuuntaus jähmettyy laattaan, kun se siirtyy pois harjanteen kuumuudesta. Kuvittele, mitä tapahtuu, jos pudotat rekkalastillisen tukkeja nopeasti virtaavaan jokeen. Tukit heiluttavat ja kääntävät virran, kunnes ne osoittavat alavirtaan. Nämä kiteet tekevät saman, vain paljon hitaammassa virtauksessa. Kutsumme tätä kristallien linjausta ” kankaaksi.”Kuten kudottu kangas, siihen on rakennettu joitakin ohjeita.

tuo kristallikangas saa ääniaallot kulkemaan nopeammin itään ja länteen kuin pohjoiseen ja etelään Tutkimuspaikallamme Tyynellämerellä. Miten se toimii? Ajattele joessa virtaavaa tukkia. Puun halkaiseminen jyvällä vaatii vähemmän voimaa kuin sahaaminen jyvää vasten. Me geofyysikot sanomme, että lokit ovat anisotrooppisia: tukin vahvuus ei ole (An) sama (iso), jos käännät (tropos) tukin eri suuntaan.

äänen nopeus on myös anisotrooppinen: ääni kulkee nopeammin jyvän kanssa eikä vastaan. Kun manttelivirtaus kohdistaa kiteet kiviin osoittamaan poispäin harjanteesta, ääni, joka kulkee siihen suuntaan kivien läpi, liikkuu nopeammin. Tämä anisotrooppinen kidekangas on merkki laatanmuodostuksesta, jonka olemme mitanneet 70 miljoonaa vuotta myöhemmin Tyynellämerellä.

jäähdytys ja halkeilu

, mutta tämä ei ole ihan koko tarina. Olemme myös mitanneet, miten äänen nopeus muuttuu eri syvyyksissä merenpohjan alla, eikä kristallin linjaus selitä, miksi Itä-Länsi-ääniaallot kulkevat nopeammin, kun ne liikkuvat kivien läpi syvemmälle laattaan. Selvittääksemme tämän meidän on katsottava harjanteen ohi ja nähtävä, mitä lautasellemme tapahtui sen syntyhetken ja tämän päivän välillä.

levy alkaa kuumana valtameren keskiselänteen kohdalta. Ajan mittaan sen päällä oleva kylmä merivesi imee itseensä tuon lämmön, ja levy jäykistyy, tiivistyy ja supistuu. Pieniä halkeamia muodostuu. Vastaavia termisiä supistuksia voi nähdä teillä ja jalkakäytävillä. Kovan talven jälkeen näkyy halkeamia, joissa jalkakäytävä kutistui pakkasella. Valtamerilevyissä lämpöhalkeamat tapaavat muodostua harjanteen suuntaisiksi.

nämä linjakkaat halkeamat synnyttävät myös anisotropiaa. Halkeamien suuntaisesti kulkevat ääniaallot eivät vaikuta niihin, mutta aallot, jotka yrittävät mennä kohtisuoraan tai kulmassa halkeamien läpi, hidastuvat. Mikroskooppiset halkeamat, joita arvelemme olevan laatan ylemmässä vaipassa, voivat osittain kumota kidekankaan anisotropian vaipan virtauksesta.

mutta mitä syvemmälle menemme lautasellamme, sitä enemmän ylitsepursuavat kivet lisäävät painetta niiden alla oleviin kiviin puristaen halkeamat ja puristaen ne kiinni. Ja se tarjoaa parhaan selityksemme havainnoillemme: Matalissa syvyyksissä halkeamat vaimentavat kidekangasta, mutta paineen kasvaessa syvemmälle, halkeamat sulkeutuvat ja näemme kristallilinjauksen täydet vaikutukset.

maapalloa kuunnellen

tälle tavalliselle valtameren laatalle tapahtui 70 miljoonan vuoden aikana paljon. Olemme löytäneet jälkiä sulamisesta, vaipan virtauksesta, viilenemisestä ja hauraasta halkeilusta, jotka kaikki on paljastettu käyttämällä ääniaaltojen kaikuja, jotka kulkevat maanalaisen pinnan läpi.

on aika merkillistä, että pystymme tulkitsemaan mannerlaatan tarinan tällä tasolla. Laattatektonisen teorian alkuaikoina tutkijat lähtivät etsimään anisotropiaa, jotta saataisiin todisteita siitä, että laatan leviäminen meressä oli todella tapahtumassa. Nyt mittauksemme ovat tarpeeksi hyviä näkemään sen yli: anisotropia koodaa tietoa levyn leviämisestä ja muista prosesseista, jotka muuttavat levyä miljoonia vuosia sen jälkeen, kun kiteet asettuivat ensimmäisen kerran harjanteelle.

Mitä muuta voimme oppia anisotropiasta? Voisimmeko käyttää sitä paljastamaan ja kartoittamaan ”virtauksia” kivistä, jotka virtaavat maan sisäosissa, kuten voimme merivirtojen suhteen? Ei aivan vielä, mutta uudet mittaukset synnyttävät uuden sukupolven kysymyksiä, ja kun kuuntelemme tarkemmin kaikuja, jotka kaikuvat läpi maan, ehkä kuulemme joitakin vastauksia siitä, miten kotiplaneetan kasvot ovat muodostuneet ja kehittyneet.

tätä tutkimusta rahoittivat National Science Foundation, NSF Graduate Research Fellowship, J. Seward Johnson Fund, Paul McDonald Fye Graduate Fellowship in Oceanography, ja Charles D. Hollister Graduate Student Fellowship.