jak powstaje dno morskie?

wsiądź na statek w Los Angeles i kieruj się na południowy zachód, dopóki nie stracisz z oczu lądu. Więc kontynuuj, i kontynuuj, i kontynuuj, aż dotrzesz do pustkowia na Oceanie Spokojnym. Nie ma tam nic do zobaczenia poza wodą we wszystkich kierunkach. Ale gdybyś był tam w grudniu 2011 roku, napotkałbyś statek płynący w osobliwym schemacie. Poruszała się na wschód i zachód oraz północ i południe i wokół półkola. I przez cały czas, fontanna bulgoczącej wody morskiej wybuchała za statkiem co cztery minuty jak w zegarku.

to nie były ćwiczenia wojskowe ani sygnał do UFO, ani jakiś dziwny luksusowy rejs. Pasażerowie statku badawczego Marcus G. Langseth byli naukowcami, a duże pęcherzyki pochodziły z wiatrówek, które emitowały sprężone powietrze. Bąbelki pękają głośnymi trzaskami, wysyłając fale dźwiękowe w dół przez wodę i poniżej dna morskiego. Fale dźwiękowe rozbrzmiewały przez skały podpłytkowe i były rejestrowane przez urządzenia nasłuchowe umieszczone na dnie morskim. Podobnie jak nietoperze poruszające się za pomocą echolokacji, naukowcy używali dźwięku, aby zrekompensować brak wzroku, gdy badali skały leżące pod oceanem.

do tej pory możecie się zastanawiać, dlaczego my, naukowcy, wybraliśmy środek Pacyfiku. Skały pod Pacyfikiem są częścią płyty tektonicznej Pacyfiku, jednej z kilkunastu ogromnych płyt, które tworzą kruchą zewnętrzną warstwę naszej planety i pasują do siebie jak kawałki układanki. Płyty tektoniczne poruszają się jak gigantyczne samochodziki w zwolnionym tempie, budują pasma górskie, gdy się zderzają, wstrząsają planetą trzęsieniami ziemi, gdy się ślizgają i pękają, i stopniowo, nieustannie reorganizują mapę świata.

naukowcy szczegółowo zbadali płyty oceaniczne w pobliżu przesuwających się granic między płytami i w pobliżu unikalnych cech, takich jak wyspy Hawaje. Ale tak naprawdę nie wiemy, jak wygląda” normalna ” Płyta oceaniczna. Możesz myśleć o tym w ten sposób: Wyobraź sobie, że współczesna medycyna wiedziała wszystko, co trzeba wiedzieć o rzadkich chorobach genetycznych, ale nikt nie mógł zgodzić się na średnią temperaturę zdrowego ludzkiego ciała.

to mniej więcej sytuacja z geofizykami morskimi i zwykłymi płytami oceanicznymi-stąd statek pośrodku niczego. To miejsce na Pacyfiku jest normalne. Dno morskie ma około 70 milionów lat. Znajduje się z dala od komplikacji granic płyt i wulkanicznych hotspotów. Jeśli chcemy poznać podstawy talerza oceanicznego—jak powstaje zwykły talerz i jak zmienia się on w czasie—środek pustkowia jest dokładnie tam, gdzie chcemy być.

słuchając ECHA

naukowcy na pokładzie Langseth nie mogli zobaczyć ani dotknąć solidnego dna morskiego daleko poniżej kadłuba statku. Nawet jeśli mogą zejść na dno oceanu, skały, które nas interesują, są kilometry dalej w dół, głęboko pod powierzchnią morza. Jak możesz studiować coś tak niedostępnego? Wysyłając fale dźwiękowe i rejestrując ECHA powracające po tym, jak dźwięk przemieścił się przez podpowierzchnię. Czas, jaki musi upłynąć od źródła dźwięku do sejsmometru na dnie oceanu, który nasłuchuje na dnie morza, może nam powiedzieć o tym, co znajduje się pod powierzchnią-ponieważ prędkość dźwięku zależy od składu i struktury materiału, przez który przechodzi fala dźwiękowa, a także od temperatury i ciśnienia, pod jakim znajduje się materiał.

technika ta nazywana jest sejsmologią aktywną-w przeciwieństwie do sejsmologii pasywnej, gdzie trzęsienia ziemi zapewniają naturalnie występujące, ale niekontrolowane źródło dźwięku. To nie jest doskonała technika. Ale wsłuchując się w echa i pogłosy przerywanego budzenia płynącego po statku, możemy znaleźć wskazówki pozostawione w skałach, gdy topiły się, płynęły, ochładzały i pękały przez dziesiątki milionów lat. I możemy zacząć prześledzić historię zwykłego kawałka płyty oceanicznej.

naukowcy z Langseth zebrali dane na powierzchni dna morskiego około 400 na 600 kilometrów kwadratowych (250 na 375 mil kwadratowych), mierząc prędkość fal dźwiękowych poruszających się w różnych kierunkach. Dane pokazują, że dźwięk porusza się o 0,6 kilometra na sekundę (2000 stóp na sekundę) szybciej idąc na wschód i zachód niż na północ i południe w tym miejscu. Spodziewaliśmy się tego, plus minus kilka procent. Ale dane pokazują też coś innego: Prędkość fal dźwiękowych poruszających się na wschód i zachód wzrasta, gdy wchodzisz głębiej w ten kawałek płyty oceanicznej, ale prędkość dźwięku północ-południe pozostaje stała. Co to może nam powiedzieć o tym, jak powstają płyty tektoniczne?

topniejące i płynące

płyty oceaniczne są stale kute na grzbietach śródoceanicznych, podwodnym łańcuchu górskim utworzonym, gdzie krawędzie dwóch płyt są oddzielone. Gdybyś mógł usiąść tuż pod grzbietem, zobaczyłbyś skały z płaszcza Ziemi – gorącą warstwę leżącą pod skorupą-topiące się i perkolujące w kierunku szwu między dwiema płytami. Stopiona skała ochładza się tworząc skorupę. Nowa skorupa jest wyciągana powoli i z dala od grzbietu, jak dwie płyty od siebie, co miejsce dla stopionego płaszcza.

górna część płaszcza również płynie bocznie wraz z kruchą skorupą, ochładzając się i wzmacniając w miarę oddalania się od grzbietu. Nie zrozum mnie źle – ten płynący górny płaszcz to wciąż solidna skała. Kluczem jest czas. Przez krótki czas (w skali człowieka) górny płaszcz zachowuje się jak ciało stałe, ale przez miliony lat gorący materiał pod grzbietem może wyciekać wraz ze skorupą. To jak głupi Kit: Uderz go szybko młotkiem i roztrzaskuje się, ale naciśnij go ręką, powoli, a po prostu zgnieci. Płyta jako całość składa się ze skorupy plus tego płynącego w całości płaszcza górnego. Poruszają się razem jako jedno sztywne ciało, wypchnięte z grzbietu przez dziesiątki milionów lat.

Płaszcz płynący na grzbiecie ma trwały efekt: wyrównuje kryształy w skałach w górnym płaszczu tak, że wskazują one kierunek przepływu. To ustawienie kryształu zostaje zamrożone w płytce, gdy oddala się od ciepła grzbietu. Wyobraź sobie, co się stanie, jeśli zrzucisz ciężarówkę kłód do szybko płynącej rzeki. Dzienniki będą przepychać i obracać prąd, aż wszystkie wskażą w dół rzeki. Kryształy te robią to samo, tylko w znacznie wolniejszym przepływie. Nazywamy to wyrównanie kryształów ” tkaniną.”Podobnie jak tkana tkanina, ma wbudowane pewne kierunki.

Ta tkanina krystaliczna sprawia, że fale dźwiękowe poruszają się szybciej na wschód i zachód niż na północ i południe w naszym ośrodku badawczym na Pacyfiku. Jak to działa? Pomyśl o jednym z tych kłód płynących w rzece. Potrzeba mniej siły, aby podzielić kłodę z ziarnem, niż piła przeciwko ziarnu. My, geofizycy, mówimy, że logi są anizotropowe: Siła loga nie jest (an) taka sama (iso), jeśli obrócisz (tropos) logi w inną orientację.

prędkość dźwięku jest również anizotropowa: dźwięk porusza się szybciej z ziarnem, a nie przeciwko niemu. Kiedy przepływ płaszcza wyrównuje kryształy w skałach, aby wskazywały na grzbiet, dźwięk poruszający się w tym kierunku przez skały będzie poruszał się szybciej. Ta anizotropowa tkanina krystaliczna jest znakiem powstawania płyt, które zmierzyliśmy 70 milionów lat później, na Pacyfiku.

chłodzenie i pękanie

ale to nie jest cała historia. Zmierzyliśmy również, jak zmienia się prędkość dźwięku na różnych głębokościach pod powierzchnią morza, a wyrównanie kryształów nie wyjaśnia, dlaczego fale dźwiękowe wschód-zachód podróżują szybciej, gdy poruszają się w skałach głębiej w płytce. Aby to zrozumieć, musimy spojrzeć za grzbiet i zobaczyć, co stało się z naszą płytą od czasu jej powstania do dnia dzisiejszego.

płyta zaczyna się gorąco na grzbiecie śródoceanicznym. Z czasem zimna woda morska siedząca na górze pochłania ciepło, a płyta usztywnia, zagęszcza i kurczy się. Tworzą się małe pęknięcia. Podobne skurcze termiczne można zaobserwować na drogach i chodnikach. Po ciężkiej zimie pojawiają się pęknięcia, w których chodnik skurczył się w mrozie. W płytach oceanicznych pęknięcia termiczne mają tendencję do tworzenia się równolegle do grzbietu.

te wyrównane pęknięcia również tworzą anizotropię. Fale dźwiękowe poruszające się równolegle do pęknięć nie są przez nie wpływane, ale fale, które próbują przejść prostopadle lub pod kątem przez pęknięcia, są spowolnione. Mikroskopijne pęknięcia, które naszym zdaniem znajdują się w górnym płaszczu płytki, mogą częściowo anulować anizotropię tkaniny krystalicznej z przepływu płaszcza.

ale im głębiej wejdziemy w naszą płytkę, tym bardziej leżące skały zwiększają nacisk na skały pod nimi, ściskając pęknięcia i ściskając je. I to daje najlepsze wyjaśnienie dla naszych obserwacji: Na płytkich głębokościach pęknięcia przeciwdziałają tkance krystalicznej, ale gdy ciśnienie rośnie głębiej, pęknięcia się zamykają i widzimy pełne efekty wyrównania kryształów.

słuchając Ziemi

wiele się stało z tą zwykłą płytą oceaniczną w ciągu 70 milionów lat. Znaleźliśmy ślady topnienia, przepływu płaszcza, ochłodzenia i kruchego pękania, a wszystko to dzięki ech fal dźwiękowych przechodzących przez podpowierzchnię.

to niezwykłe, że możemy rozszyfrować historię płyty tektonicznej na tym poziomie. Na początku teorii płyt tektonicznych naukowcy poszukiwali anizotropii, aby dostarczyć dowodów na to, że płyty rozprzestrzeniają się w oceanie. Teraz, nasze pomiary są wystarczająco dobre, aby zobaczyć więcej: anizotropia koduje informacje o rozprzestrzenianiu się płytki i o innych procesach, które zmieniają płytkę miliony lat po tym, jak kryształy po raz pierwszy ustawiły się na grzbiecie.

czego jeszcze możemy się nauczyć z anizotropii? Czy możemy go użyć do ujawnienia i mapowania „prądów” skał płynących we wnętrzu Ziemi, tak jak to możliwe dla prądów oceanicznych? Jeszcze nie do końca, ale nowe pomiary dają początek nowej generacji pytań, a gdy wsłuchamy się w ECHA rozbrzmiewające przez Ziemię, być może usłyszymy kilka odpowiedzi na temat tego, jak ukształtowała się i ewoluowała twarz planety, którą nazywamy domem.

badania te zostały sfinansowane przez National Science Foundation, NSF Graduate Research Fellowship, J. Seward Johnson Fund, Paul McDonald Fye Graduate Fellowship in Oceanography oraz Charles D. Hollister Graduate Student Fellowship.