cum se face fundul mării?

urcați la bordul unei nave din Los Angeles și mergeți spre sud-vest până când pierdeți din vedere pământul. Apoi continuați să mergeți, și să mergeți, și să mergeți, până ajungeți în mijlocul pustietății din Oceanul Pacific. Nu este nimic de văzut acolo decât apă în toate direcțiile. Dar dacă ați fi fost acolo în decembrie 2011, ați fi întâlnit o navă care naviga într-un model ciudat. S-a mutat la est și Vest și la nord și Sud și în jurul unui semicerc. Și în tot acest timp, o fântână de apă de mare cu bule a izbucnit în spatele navei la fiecare patru minute ca un ceas.

acesta nu a fost un exercițiu militar sau un semnal către OZN-uri, nici o croazieră de lux ciudată. Pasagerii de pe nava de cercetare Marcus G. Langseth erau oameni de știință, iar bulele mari proveneau de la pistoale care emiteau aer comprimat. Bulele izbucnesc cu zgomote puternice, trimițând unde sonore în jos prin apă și sub fundul mării. Undele sonore au reverberat prin roci subseafloor și au fost înregistrate de dispozitive de ascultare plasate pe fundul mării. La fel ca liliecii care navighează prin ecolocație, cercetătorii foloseau sunetul pentru a compensa lipsa de vedere în timp ce cercetau rocile care se află sub ocean.

până acum, s-ar putea să vă întrebați de ce noi, oamenii de știință, am vizat în mod specific mijlocul Pacificului. Rocile de sub Pacific fac parte din placa tectonică a Pacificului, una dintre cele aproximativ o duzină de plăci uriașe care alcătuiesc stratul exterior fragil al planetei noastre și se potrivesc împreună ca piesele unui puzzle. Plăcile tectonice se mișcă ca niște mașini gigantice, cu mișcare lentă, construind lanțuri montane atunci când se ciocnesc, scuturând planeta cu cutremure atunci când alunecă și se rup și, treptat, reorganizând constant harta lumii.

oamenii de știință au studiat plăcile oceanice în detaliu în apropierea granițelor schimbătoare dintre plăci și în apropierea unor caracteristici unice, cum ar fi Insulele hawaiiene. Dar nu știm cu adevărat cum arată o placă oceanică” normală”. Vă puteți gândi la ea în acest fel: Imaginați-vă că medicina modernă știa tot ce trebuie știut despre bolile genetice rare, dar nimeni nu putea fi de acord cu temperatura medie a unui corp uman sănătos.

aceasta este mai mult sau mai puțin situația cu geofizicienii marini și plăcile oceanice obișnuite—de aici, nava în mijlocul nicăieri. Acest loc din Pacific este la fel de normal ca și ei. Fundul mării aici are aproximativ 70 de milioane de ani. Se află departe de complicațiile limitelor plăcilor și a hotspoturilor vulcanice. Dacă vrem să ne dăm seama de elementele de bază ale unei plăci oceanice—cum se face o placă obișnuită și cum se schimbă în timp—mijlocul nicăieri este exact unde vrem să fim.

ascultând ecouri

oamenii de știință de la bordul Langseth nu au putut vedea sau atinge fundul solid al Mării mult sub coca navei. Chiar dacă ar putea ajunge până la fundul oceanului, stâncile de care suntem interesați sunt la kilometri mai jos, adânc sub fundul mării. Cum poți studia ceva atât de inaccesibil? Prin trimiterea undelor sonore și înregistrarea ecourilor care se întorc după ce sunetul a călătorit prin subteran. Timpul necesar pentru ca sunetul să călătorească de la sursa de sunet la un seismometru de pe fundul oceanului care ascultă pe fundul mării ne poate spune despre ceea ce se află sub suprafață-deoarece viteza sunetului depinde de compoziția și structura materialului prin care se deplasează unda sonoră, precum și de temperatura și presiunea sub care se află Materialul.

această tehnică se numește Seismologie cu sursă activă-spre deosebire de seismologia pasivă, unde cutremurele oferă o sursă de sunet naturală, dar necontrolată. Nu e o tehnică perfectă. Dar ascultând ecourile și reverberațiile de la trezirea intermitentă cu bule care a urmărit nava, putem găsi indicii rămase în roci în timp ce s-au topit, curgeau, se răceau și se crăpau de-a lungul a zeci de milioane de ani. Și putem începe să urmărim istoria unei bucăți obișnuite de placă oceanică.

oamenii de știință de pe Langseth au colectat date pe o suprafață de mare de aproximativ 400 pe 600 de kilometri pătrați (250 pe 375 mile pătrate), măsurând viteza undelor sonore care călătoresc în direcții diferite. Datele arată că sunetul călătorește cu aproximativ 0,6 kilometri pe secundă (2.000 de picioare pe secundă) mai repede mergând spre est și Vest decât mergând spre nord și Sud în acest loc. Ne-am așteptat să găsim că, da sau de a lua câteva procente. Dar datele arată și altceva: Viteza undelor sonore care merg spre est și vest crește pe măsură ce vă adânciți în această bucată de placă oceanică, dar viteza sunetului nord–sud rămâne constantă. Ce ne poate spune acest lucru despre modul în care se formează plăcile tectonice?

topirea și curgerea

plăcile oceanice sunt forjate continuu la crestele din mijlocul oceanului, un lanț montan submarin creat unde marginile a două plăci se separă. Dacă ați putea sta chiar sub o creastă, ați vedea roci din mantaua Pământului—stratul fierbinte care stă la baza crustei—topindu-se și percolându-se spre cusătura dintre cele două plăci. Roca topită se răcește pentru a forma crusta. Noua crustă este trasă încet și departe de creastă pe măsură ce cele două plăci se îndepărtează, făcând loc mantalei topite.

partea superioară a mantalei curge lateral împreună cu acea crustă fragilă, răcindu-se și întărindu-se pe măsură ce se îndepărtează de creastă. Nu mă înțelegeți greșit—această manta superioară curgătoare este încă o rocă solidă. Cheia aici este timpul. Pentru perioade scurte de timp (la scară umană), mantaua superioară se comportă ca un solid, dar de-a lungul a milioane de ani, lucrurile fierbinți de sub creastă se pot scurge împreună cu crusta. E ca o prostie chit: Lovește-l repede cu un ciocan și se sfărâmă, dar Apasă-l cu mâna, încet, și doar zdrobește. Placa ca un întreg este realizat din crusta plus care curge solid manta cea mai de sus. Se mișcă împreună ca un corp rigid, împins de pe creastă de-a lungul a zeci de milioane de ani.

mantaua care curge la creastă are un efect de durată: aliniază cristalele din rocile din mantaua superioară, astfel încât acestea să indice în direcția fluxului. Această aliniere a cristalului se îngheață în placă pe măsură ce se îndepărtează de căldura creastei. Imaginați-vă ce se întâmplă dacă aruncați un camion de bușteni într-un râu care curge rapid. Jurnalele vor jostle și transforma în curent până când toate punctul în aval. Aceste cristale fac același lucru, doar într-un flux mult mai lent. Numim această aliniere a cristalelor o ” țesătură.”La fel ca pânza țesută, are câteva direcții încorporate în ea.

acea țesătură de cristal este ceea ce face ca undele sonore să călătorească mai repede spre est și Vest decât spre nord și sud la locul nostru de studiu din Pacific. Cum funcționează asta? Gândește-te la un buștean care curge într-un râu. Este nevoie de mai puțină forță pentru a împărți un buștean cu bobul decât pentru a tăia împotriva bobului. Noi geofizicienii spunem că jurnalele sunt anizotrope: puterea jurnalului nu este (an) aceeași (iso) dacă întoarceți (tropos) jurnalul într-o orientare diferită.

viteza sunetului este, de asemenea, anizotropă: sunetul călătorește mai repede cu, mai degrabă decât împotriva, bobului. Când fluxul mantalei aliniază cristalele din roci pentru a se îndepărta de creastă, sunetul care călătorește în acea direcție prin roci se va mișca mai repede. Această țesătură de cristal anizotropă este o semnătură a formării plăcilor pe care am măsurat-o 70 de milioane de ani mai târziu, în Pacific.

răcire și cracare

dar acest lucru nu este destul de întreaga poveste. De asemenea, am măsurat modul în care viteza sunetului se schimbă la diferite adâncimi sub fundul mării, iar alinierea cristalelor nu explică de ce undele sonore est-vest călătoresc mai repede atunci când se deplasează prin roci mai adânc în placă. Pentru a ne da seama de asta, trebuie să privim dincolo de creastă și să vedem ce s-a întâmplat cu placa noastră între momentul în care s-a format și ziua de azi.

placa începe fierbinte la creasta mid-ocean. În timp, apa de mare rece așezată deasupra absoarbe acea căldură, iar placa se rigidizează, se densifică și se contractă. Se formează mici fisuri. Puteți vedea tipuri similare de contracție termică pe drumuri și trotuare. După o iarnă grea, apar fisuri acolo unde trotuarul s-a micșorat în frig. În plăcile oceanice, fisurile termice tind să se formeze paralel cu creasta.

aceste fisuri aliniate creează, de asemenea, anizotropie. Undele sonore care călătoresc paralel cu fisurile nu sunt afectate de acestea, dar undele care încearcă să meargă perpendicular sau într-un unghi prin fisuri sunt încetinite. Fisurile microscopice despre care credem că se află în mantaua superioară a plăcii pot anula parțial anizotropia țesăturii de cristal din fluxul mantalei.

dar cu cât intrăm mai adânc în farfurie, cu atât mai multe roci deasupra cresc presiunea asupra rocilor de sub ele, comprimând fisurile și strângându-le. Și asta oferă cea mai bună explicație pentru observațiile noastre: La adâncimi mici, fisurile contracarează țesătura de cristal, dar pe măsură ce presiunea crește mai adânc, fisurile se închid și vedem efectele complete ale alinierii cristalului.

ascultând Pământul

s-au întâmplat multe cu această placă oceanică obișnuită de-a lungul a 70 de milioane de ani. Am găsit urme de topire, curgere a mantalei, răcire și crăpare fragilă, toate dezvăluite folosind ecourile undelor sonore care trec prin subteran.este destul de remarcabil că putem descifra povestea unei plăci tectonice la acest nivel. În primele zile ale teoriei tectonice a plăcilor, oamenii de știință au căutat anizotropie pentru a oferi dovezi că răspândirea plăcilor în ocean se întâmpla de fapt. Acum, măsurătorile noastre sunt suficient de bune pentru a vedea dincolo de asta: anizotropia codifică informații despre răspândirea plăcilor și despre alte procese care modifică placa la milioane de ani după ce cristalele s-au aliniat pentru prima dată la creastă.

Ce altceva putem învăța din anizotropie? Am putea să-l folosim pentru a dezvălui și a cartografia „curenții” de rocă care curge în interiorul Pământului, așa cum putem pentru curenții oceanici? Nu încă, dar noile măsurători dau naștere unei noi generații de întrebări și, pe măsură ce ascultăm mai atent ecourile care reverberează prin pământ, poate vom auzi câteva dintre răspunsurile despre modul în care fața planetei pe care o numim acasă s-a format și a evoluat.

această cercetare a fost finanțată de National Science Foundation, o bursă NSF Graduate Research, Fondul J. Seward Johnson, o bursă Paul McDonald Fye Graduate Fellowship în oceanografie și o bursă Charles D. Hollister Graduate Student.