Come è fatto il fondo marino?

Sali a bordo di una nave a Los Angeles e dirigiti a sud-ovest fino a perdere di vista la terra. Poi continua ad andare, e andare, e andare, fino a raggiungere il mezzo del nulla nell’Oceano Pacifico. Non c’è niente da vedere lì, ma l’acqua in tutte le direzioni. Ma se tu fossi stato lì nel dicembre 2011, avresti incontrato una nave che navigava in uno schema particolare. Si spostò a est e ovest e nord e sud e intorno a un semicerchio. E per tutto il tempo, una fontana di acqua di mare gorgogliante eruttava dietro la nave ogni quattro minuti come un orologio.

Questa non era un’esercitazione militare o un segnale agli UFO, né una strana crociera di lusso. I passeggeri della nave di ricerca Marcus G. Langseth erano scienziati e le grandi bolle provenivano da fucili ad aria compressa che emettevano aria compressa. Le bolle scoppiano con schiocchi forti, l’invio di onde sonore giù attraverso l’acqua e sotto il fondo marino. Le onde sonore riverberavano attraverso rocce sottosuolo e sono stati registrati da dispositivi di ascolto posti sul fondo marino. Come i pipistrelli che navigano per ecolocalizzazione, i ricercatori stavano usando il suono per compensare la mancanza di vista mentre esaminavano le rocce che si trovano sotto l’oceano.

Ormai, ci si potrebbe chiedere perché noi scienziati specificamente mirati al centro del Pacifico. Le rocce sotto il Pacifico fanno parte della placca tettonica del Pacifico, una delle circa una dozzina di enormi placche che compongono il fragile strato esterno del nostro pianeta e si incastrano come i pezzi di un puzzle. Le placche tettoniche si muovono come gigantesche auto paraurti al rallentatore, costruendo catene montuose quando si scontrano, scuotendo il pianeta con i terremoti quando scivolano e si rompono e gradualmente, riorganizzando costantemente la mappa del mondo.

Gli scienziati hanno studiato le placche oceaniche in grande dettaglio vicino ai confini mutevoli tra le placche e vicino a caratteristiche uniche come le isole Hawaiiane. Ma non sappiamo davvero come sia una placca oceanica “normale”. Si può pensare in questo modo: Immagina che la medicina moderna sapesse tutto ciò che c’è da sapere sulle malattie genetiche rare, ma nessuno potrebbe essere d’accordo sulla temperatura media di un corpo umano sano.

Questa è più o meno la situazione con i geofisici marini e le normali placche oceaniche—quindi, la nave in mezzo al nulla. Questo posto nel Pacifico è normale come vengono. Il fondo marino qui ha circa 70 milioni di anni. Si trova lontano dalle complicazioni dei confini delle placche e degli hotspot vulcanici. Se vogliamo capire le basi di una placca oceanica-come viene fatta una piastra ordinaria e come cambia nel tempo—il mezzo del nulla è esattamente dove vogliamo essere.

Ascoltando gli echi

Gli scienziati a bordo del Langseth non potevano vedere o toccare il solido fondo marino molto al di sotto dello scafo della nave. Anche se riuscissero a scendere sul fondo dell’oceano, le rocce che ci interessano sono miglia più in basso, in profondità sotto il fondo del mare. Come puoi studiare qualcosa di così inaccessibile? Inviando le onde sonore e registrando gli echi che ritornano dopo che il suono ha viaggiato attraverso il sottosuolo. Il tempo necessario affinché il suono viaggi dalla sorgente sonora a un sismometro di fondo oceanico che ascolta sul fondo marino può dirci cosa c’è sotto la superficie, perché la velocità del suono dipende dalla composizione e dalla struttura del materiale attraverso cui l’onda sonora sta viaggiando, così come dalla temperatura e dalla pressione sotto cui il materiale si trova.

Questa tecnica è chiamata sismologia a sorgente attiva-al contrario della sismologia passiva, dove i terremoti forniscono una sorgente sonora naturale ma incontrollata. Non è una tecnica perfetta. Ma ascoltando gli echi e i riverberi della scia frizzante intermittente che segue la nave, possiamo trovare indizi lasciati nelle rocce mentre si sciolgono, scorrono, si raffreddano e si rompono per decine di milioni di anni. E possiamo iniziare a tracciare la storia di un normale pezzo di placca oceanica.

Gli scienziati del Langseth hanno raccolto dati su una zona di fondo marino di circa 400 per 600 chilometri quadrati (250 per 375 miglia quadrate), misurando la velocità delle onde sonore che viaggiano in direzioni diverse. I dati mostrano che il suono viaggia circa 0,6 chilometri al secondo (2.000 piedi al secondo) più velocemente andando a est ea ovest rispetto a nord e sud in questo sito. Ci aspettavamo di trovare che, più o meno un po ” per cento. Ma i dati mostrano anche qualcos’altro: La velocità delle onde sonore che vanno ad est e ad ovest aumenta man mano che si approfondisce questo pezzo di placca oceanica, ma la velocità del suono nord–sud rimane costante. Cosa può dirci su come si formano le placche tettoniche?

Fusione e fluire

Le placche oceaniche sono continuamente forgiate sulle creste medio-oceaniche, una catena montuosa sottomarina creata dove i bordi di due placche si stanno separando. Se ci si potesse sedere proprio sotto una cresta, si vedrebbero rocce dal mantello terrestre – lo strato caldo sottostante la crosta-sciogliersi e percolare verso la cucitura tra le due piastre. La roccia fusa si raffredda per formare la crosta. La nuova crosta viene tirata lentamente fuori e lontano dalla cresta mentre le due placche si allontanano, facendo spazio al mantello fuso.

La parte superiore del mantello scorre anche lateralmente insieme a quella crosta fragile, raffreddandosi e rafforzandosi mentre si allontana dalla cresta. Non fraintendetemi – questo mantello superiore che scorre è ancora roccia solida. La chiave qui è il tempo. Per brevi (scala umana) quantità di tempo, il mantello superiore si comporta come un solido, ma nel corso di milioni di anni, la roba calda sotto la cresta può trasudare insieme alla crosta. È come uno stupido mastice: Colpiscilo velocemente con un martello e si frantuma, ma premilo con la mano, lentamente, e si schiaccia. Il piatto nel suo complesso è costituito dalla crosta più quel mantello più alto che scorre solido. Si muovono insieme come un corpo rigido, spinto fuori dalla cresta per decine di milioni di anni.

Il mantello che scorre sulla cresta ha un effetto duraturo: allinea i cristalli all’interno delle rocce nel mantello superiore in modo che puntino nella direzione del flusso. Quell’allineamento di cristallo viene congelato nel piatto mentre si allontana dal calore della cresta. Immagina cosa succede se lasci cadere un camion carico di tronchi in un fiume che scorre veloce. I registri spingeranno e gireranno nella corrente fino a quando non puntano tutti a valle. Questi cristalli fanno lo stesso, solo in un tipo di flusso molto più lento. Chiamiamo questo allineamento di cristalli un ” tessuto.”Come il tessuto, ha alcune direzioni incorporate in esso.

Quel tessuto cristallino è ciò che fa viaggiare le onde sonore più velocemente verso est e ovest rispetto a nord e sud nel nostro sito di studio nel Pacifico. Come funziona? Beh, pensa a uno di quei tronchi che scorre in un fiume. Ci vuole meno forza per dividere un tronco con il grano di quanto non faccia a sega contro il grano. Noi geofisici diciamo che i log sono anisotropici: la forza del log non è (an) la stessa (iso) se si gira (tropos) il log in un orientamento diverso.

Anche la velocità del suono è anisotropica: il suono viaggia più velocemente con, piuttosto che contro, il grano. Quando il flusso del mantello allinea i cristalli nelle rocce per puntare lontano dalla cresta, il suono che viaggia in quella direzione attraverso le rocce si muoverà più velocemente. Questo tessuto di cristallo anisotropico è una firma della formazione di placche che abbiamo misurato 70 milioni di anni dopo, nel Pacifico.

Raffreddamento e cracking

Ma questa non è tutta la storia. Abbiamo anche misurato come la velocità del suono cambia a varie profondità sotto il fondo marino, e l’allineamento dei cristalli non spiega perché le onde sonore est-ovest viaggiano più velocemente quando si muovono attraverso le rocce più in profondità nella piastra. Per capirlo, dobbiamo guardare oltre la cresta e vedere cosa è successo al nostro piatto tra il tempo in cui si è formato e il giorno presente.

La piastra inizia a caldo sulla dorsale medio-oceanica. Nel corso del tempo, l’acqua di mare fredda seduta sulla parte superiore assorbe quel calore e la piastra si irrigidisce, si densifica e si contrae. Si formano piccole crepe. È possibile vedere simili tipi di contrazione termica su strade e marciapiedi. Dopo un inverno duro, crepe mostrano dove il marciapiede si è ridotto al freddo. Nelle placche oceaniche, le fessure termiche tendono a formarsi parallelamente alla cresta.

Queste crepe allineate creano anche anisotropia. Le onde sonore che viaggiano parallele alle fessure non sono influenzate da esse, ma le onde che cercano di andare perpendicolarmente o ad angolo attraverso le fessure sono rallentate. Le crepe microscopiche che pensiamo siano nel mantello superiore della piastra possono in parte annullare l’anisotropia del tessuto cristallino dal flusso del mantello.

Ma più profondo andiamo nel nostro piatto, più le rocce sovrastanti aumentano la pressione sulle rocce sotto di loro, comprimendo le fessure e schiacciandole. E questo offre la nostra migliore spiegazione per le nostre osservazioni: A basse profondità, le fessure contrastano il tessuto di cristallo, ma quando la pressione aumenta più in profondità, le fessure si chiudono e vediamo tutti gli effetti dell’allineamento dei cristalli.

Ascoltando la Terra

Molto è successo a questa placca oceanica ordinaria in 70 milioni di anni. Abbiamo trovato tracce di fusione, flusso del mantello, raffreddamento e cracking fragile, tutte rivelate usando gli echi delle onde sonore che passano attraverso il sottosuolo.

È abbastanza notevole che possiamo decifrare la storia di una placca tettonica a questo livello. Nei primi giorni della teoria tettonica delle placche, gli scienziati sono andati alla ricerca di anisotropia per fornire la prova che la diffusione delle placche nell’oceano stava effettivamente accadendo. Ora, le nostre misurazioni sono abbastanza buone da vedere oltre: l’anisotropia codifica le informazioni sulla diffusione della placca e su altri processi che alterano la placca milioni di anni dopo che i cristalli si sono allineati per la prima volta sulla cresta.

Cos’altro possiamo imparare dall’anisotropia? Potremmo usarla per rivelare e mappare le “correnti” di roccia che fluiscono all’interno della Terra come possiamo per le correnti oceaniche? Non ancora del tutto, ma nuove misurazioni danno origine a una nuova generazione di domande, e mentre ascoltiamo più da vicino gli echi che riverberano attraverso la Terra, forse ascolteremo alcune delle risposte su come la faccia del pianeta che chiamiamo casa si è formata ed evoluta.

Questa ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation, un NSF Graduate Research Fellowship, il J. Seward Johnson Fund, un Paul McDonald Fye Graduate Fellowship in Oceanografia, e un Charles D. Hollister Graduate Student Fellowship.