hogyan készül a tengerfenék?

Szállj fel egy hajóra Los Angelesben és menj délnyugatra, amíg szem elől nem veszed a szárazföldet. Akkor menj tovább, és menj, és menj, amíg el nem éred a semmi közepét a Csendes-óceánon. Nincs ott semmi látnivaló, csak víz minden irányban. De ha 2011 decemberében ott lett volna, akkor egy sajátos mintával vitorlázó hajóval találkozott volna. Kelet felé, nyugatra, északra és délre, egy félkör körül mozgott. És mindeközben a hajó mögött négypercenként egy buborékoló tengervíz-forrás tört ki, mint az óramű.

Ez nem katonai gyakorlat vagy jelzés volt az UFO-knak, sem valami furcsa luxusutazás. A Marcus G. Langseth kutatóhajó utasai tudósok voltak, a nagy buborékok pedig sűrített levegőt kibocsátó légpuskákból származtak. A buborékok hangos durranásokkal törtek ki, hanghullámokat küldtek le a vízen és a tengerfenék alatt. A hanghullámok a tenger alatti sziklákon keresztül visszhangoztak, és a tengerfenéken elhelyezett lehallgató eszközök rögzítették őket. Az echolokációval navigáló denevérekhez hasonlóan a kutatók hangot használtak a látás hiányának kompenzálására, amikor felmérték az óceán alatt fekvő sziklákat.

mostanra már azon tűnődhettek, hogy mi, tudósok miért céloztuk meg kifejezetten a Csendes-óceán közepét. A Csendes-óceán alatti sziklák a csendes-óceáni tektonikus lemez részét képezik, egyike annak a tucatnyi hatalmas lemeznek, amelyek bolygónk törékeny külső rétegét alkotják, és úgy illeszkednek egymáshoz, mint egy kirakós játék darabjai. A tektonikus lemezek gigantikus, lassított lökhárító kocsikként mozognak, hegyvonulatokat építenek, amikor ütköznek, földrengésekkel rázzák meg a bolygót, amikor megcsúsznak és eltörnek, és fokozatosan, folyamatosan átszervezik a világtérképet.

a tudósok nagyon részletesen tanulmányozták az óceáni lemezeket a lemezek közötti változó határok közelében, és olyan egyedi jellemzők közelében, mint a Hawai-szigetek. De nem igazán tudjuk, hogy néz ki egy “normál” óceáni lemez. Így gondolhatsz rá: Képzelje el, hogy a modern orvostudomány mindent tudott a ritka genetikai betegségekről, de senki sem tudott megegyezni az egészséges emberi test átlagos hőmérsékletéről.

többé—kevésbé ez a helyzet a tengeri geofizikusokkal és a közönséges óceáni lemezekkel-tehát a hajó a semmi közepén. Ez a hely a Csendes-óceánon olyan normális, mint jönnek. A tengerfenék itt körülbelül 70 millió éves. Távol áll a lemezhatárok és a vulkáni hotspotok komplikációitól. Ha meg akarjuk érteni az óceáni lemez alapjait—hogyan készül egy közönséges lemez, és hogyan változik az idő múlásával—a semmi közepén pontosan ott vagyunk, ahol lenni akarunk.

visszhangokat hallgatva

a Langseth fedélzetén lévő tudósok nem látták vagy nem érintették meg a szilárd tengerfenéket messze a hajótest alatt. Még akkor is, ha le tudnak jutni az óceán fenekére, a sziklák, amelyek érdekelnek, mérföldekkel lejjebb vannak, mélyen a tengerfenék alatt. Hogyan lehet tanulni valamit, ami ilyen megközelíthetetlen? Azáltal, hogy hanghullámokat küld le, és rögzíti a visszhangokat, amelyek visszatérnek, miután a hang áthaladt a felszín alatt. Az az idő, amíg a hang a hangforrástól az óceánfenék szeizmométeréig eljut, a tengerfenéken hallgatva elmondhatja nekünk, hogy mi van a felszín alatt—mert a hangsebesség függ az anyag összetételétől és szerkezetétől, amelyen a hanghullám áthalad, valamint az anyag hőmérsékletétől és nyomásától.

ezt a technikát aktív forrású szeizmológiának nevezik-szemben a passzív szeizmológiával, ahol a földrengések természetesen előforduló, de ellenőrizetlen hangforrást biztosítanak. Ez nem tökéletes technika. De hallgatva a visszhangokat és a visszhangokat a hajót követő időszakos pezsgő ébredésből, nyomokat találhatunk a sziklákban, ahogy olvadtak, folytak, lehűltek és repedtek több tízmillió év alatt. És elkezdhetjük nyomon követni egy közönséges óceáni lemez történetét.

a tudósok a Langseth gyűjtött adatokat egy folt a tengerfenék nagyjából 400-x – 600 négyzetkilométer (250-x-375 négyzet mérföld), mérve a hanghullámok sebessége utazik különböző irányokba. Az adatok azt mutatják, hogy a hang körülbelül 0,6 kilométer / másodperc (2000 láb / másodperc) gyorsabban halad Kelet és nyugat felé, mint Észak és dél felé ezen a helyen. Arra számítottunk, hogy ezt megtaláljuk, ad vagy vesz néhány százalékot. De az adatok valami mást is mutatnak: A Kelet és nyugat felé haladó hanghullámok sebessége növekszik, amikor mélyebbre megyünk az óceáni lemez ezen darabjába, de az észak–déli hangsebesség állandó marad. Mit mondhat ez a tektonikus lemezek kialakulásáról?

olvadó és áramló

az óceáni lemezeket folyamatosan kovácsolják az óceán közepén lévő gerinceken, egy tenger alatti hegyláncban, ahol két lemez élei elválasztódnak. Ha közvetlenül egy gerinc alatt ülhetnél, látnád, hogy a földköpeny—a kéreg alatti forró réteg-sziklái megolvadnak és átszivárognak a két lemez közötti varrás felé. Az olvadt kőzet lehűl, hogy kialakuljon a kéreg. Az új kéreg lassan kihúzódik a gerincről, amikor a két lemez egymástól elmozdul, helyet biztosítva az olvadt köpeny számára.

a köpeny felső része oldalirányban is folyik a törékeny kéreggel együtt, hűl és erősödik, ahogy eltávolodik a gerinctől. Ne érts félre—ez az áramló felső köpeny még mindig szilárd szikla. A kulcs itt az idő. Rövid (emberi léptékű) ideig a felső köpeny szilárd anyagként viselkedik, de több millió év alatt a gerinc alatti forró anyag a kéreggel együtt szivároghat. Olyan, mint a buta gitt: Üsd meg gyorsan egy kalapáccsal, és összetörik, de nyomja meg a kezével, lassan, és csak összenyomódik. A lemez egésze a kéregből, valamint a szilárd áramlású legfelső köpenyből készül. Együtt mozognak, mint egy merev test, amelyet több tízmillió év alatt kiszorítottak a gerincről.

a gerincen folyó köpenynek tartós hatása van: a felső köpeny kőzeteiben lévő kristályokat úgy igazítja, hogy azok az áramlás irányába mutassanak. Ez a kristály igazítás lefagy a lemezbe, amikor eltávolodik a gerinc hőjétől. Képzelje el, mi történik, ha egy teherautónyi rönköt dob egy gyorsan folyó folyóba. A naplók lökdösődnek és bekapcsolják az áramot, amíg mind lefelé mutatnak. Ezek a kristályok ugyanezt teszik, csak sokkal lassabb áramlásban. Ezt a kristályok összehangolását “szövetnek” nevezzük.”Mint a szövött szövet, van benne néhány irány.

Ez a kristályszövet az, ami miatt a hanghullámok gyorsabban haladnak Kelet és nyugat felé, mint Észak és Dél A csendes-óceáni tanulmányi helyünkön. Hogy működik? Nos, gondolj az egyik rönkökre, ami egy folyóban folyik. Kevesebb erő kell ahhoz, hogy egy rönköt hasítson a gabonával, mint ahhoz, hogy fűrészelje a gabonát. Mi geofizikusok azt mondjuk, hogy a naplók anizotrópok: a napló ereje nem (an) ugyanaz (iso), ha a naplót más tájolásra fordítja (tropos).

a hang sebessége szintén anizotróp: a hang gyorsabban halad a gabonával, nem pedig ellene. Amikor a köpeny áramlása a sziklákban lévő kristályokat úgy igazítja, hogy távolodjanak a gerinctől, a sziklákon ebben az irányban haladó hang gyorsabban mozog. Ez az anizotróp kristályszövet a lemezképződés jele, amelyet 70 millió évvel később mértünk a Csendes-óceánon.

hűtés és repedés

de ez nem egészen a teljes történet. Azt is megmértük, hogyan változik a hangsebesség a tengerfenék alatti különböző mélységekben, és a kristályillesztés nem magyarázza meg, hogy a kelet-nyugati hanghullámok miért haladnak gyorsabban, amikor a sziklákon keresztül mélyebben mozognak a lemezbe. Ahhoz, hogy ezt megértsük, át kell néznünk a gerincen, és meg kell néznünk, mi történt a lemezünkkel a kialakulása és a mai nap között.

a lemez forrón indul az óceán közepén. Idővel a tetején ülő hideg tengervíz elnyeli ezt a hőt, és a lemez megmerevedik, sűrűsödik és összehúzódik. Apró repedések alakulnak ki. Hasonló típusú termikus összehúzódást láthat az utakon és a járdákon. Kemény tél után repedések jelennek meg, ahol a járda hidegben zsugorodott. Az óceáni lemezekben a termikus repedések általában a gerincvel párhuzamosan alakulnak ki.

Ezek az igazított repedések anizotrópiát is létrehoznak. A repedésekkel párhuzamosan haladó hanghullámokat ezek nem befolyásolják, de azok a hullámok, amelyek merőlegesen vagy szögben próbálnak átmenni a repedéseken, lelassulnak. A mikroszkopikus repedések, amelyekről úgy gondoljuk, hogy a lemez felső köpenyében vannak, részben kiküszöbölhetik a kristályszövet anizotrópiáját a köpeny áramlásából.

de minél mélyebbre megyünk a lemezünkben, annál nagyobb a nyomás az alatta lévő sziklákon, összenyomva a repedéseket és összenyomva azokat. Ez a legjobb magyarázat a megfigyeléseinkre: Sekély mélységben a repedések ellensúlyozzák a kristályszövetet, de ahogy a nyomás mélyebbre emelkedik, a repedések bezáródnak, és látjuk a kristály igazításának teljes hatását.

A Föld hallgatása

sok minden történt ezzel a közönséges óceáni lemezzel 70 millió év alatt. Olvadás, köpeny áramlás, hűtés és törékeny repedés nyomait találtuk, mindezt a felszín alatt áthaladó hanghullámok visszhangjainak felhasználásával tártuk fel.

elég figyelemre méltó, hogy ezen a szinten meg tudjuk fejteni egy tektonikus lemez történetét. A lemeztektonikai elmélet korai napjaiban a tudósok anizotrópiát kerestek, hogy bizonyítékot szolgáltatjanak arra, hogy a lemezek elterjedése az óceánban valójában megtörténik. A méréseink elég jók ahhoz, hogy ezen túl is lássunk: az anizotrópia információkat kódol a lemezek terjedéséről és más folyamatokról, amelyek megváltoztatják a lemezt több millió évvel azután, hogy a kristályok először a gerincen helyezkednek el.

Mit tanulhatunk még az anizotrópiából? Használhatjuk-e arra, hogy felfedjük és feltérképezzük a föld belsejében áramló kőzet “áramlatait”, ahogy az óceáni áramlatokat is? Még nem egészen, de az új mérések új generációs kérdéseket vetnek fel, és ahogy jobban figyelünk a földön visszhangzó visszhangokra, talán hallunk néhány választ arról, hogyan alakult ki és fejlődött ki az otthonunknak nevezett bolygó arca.ezt a kutatást a National Science Foundation, az NSF Graduate Research Fellowship, a J. Seward Johnson Fund, A Paul McDonald Fye Graduate Fellowship in Oceanography és a Charles D. Hollister Graduate Student Fellowship finanszírozta.