Hur görs havsbotten?

gå ombord på ett fartyg i Los Angeles och gå sydväst tills du tappar land ur sikte. Fortsätt sedan, och gå, och gå, tills du når mitten av ingenstans i Stilla havet. Det finns inget att se där men vatten i alla riktningar. Men om du hade varit där i December 2011 skulle du ha stött på ett fartyg som seglade i ett märkligt mönster. Det rörde sig öster och väster och norr och söder och runt en halvcirkel. Och hela tiden utbröt en fontän av bubblande havsvatten bakom skeppet var fjärde minut som urverk.

detta var inte en militär övning eller en signal till UFO, eller någon konstig lyxkryssning. Passagerarna på forskningsfartyget Marcus G. Langseth var forskare, och de stora bubblorna kom från luftpistoler som emitterade tryckluft. Bubblorna spricker med höga poppar och skickar ljudvågor ner genom vattnet och under havsbotten. Ljudvågorna reverberated genom subseafloor stenar och spelades in av lyssningsanordningar placerade på havsbotten. Liksom fladdermöss som navigerade genom ekolokalisering använde forskarna ljud för att kompensera för brist på syn när de undersökte klipporna som ligger under havet.

Nu kanske du undrar varför vi forskare specifikt riktade sig mot mitten av Stilla havet. Klipporna under Stilla havet är en del av Pacific tectonic plate, en av ungefär ett dussin stora plattor som utgör det spröda yttre lagret på vår planet och passar ihop som bitarna i ett pussel. Tektoniska plattor rör sig som gigantiska, långsamma radiobilar, bygger bergskedjor när de kolliderar, skakar planeten med jordbävningar när de glider och går sönder och gradvis omorganiserar hela tiden världskartan.

forskare har studerat oceaniska plattor i detalj nära de skiftande gränserna mellan plattorna och nära unika egenskaper som hawaiiska öarna. Men vi vet inte riktigt hur en” normal ” oceanisk platta ser ut. Du kan tänka på det här sättet: Föreställ dig att modern medicin visste allt som finns att veta om sällsynta genetiska sjukdomar, men ingen kunde komma överens om medeltemperaturen hos en frisk mänsklig kropp.

det är mer eller mindre situationen med marina geofysiker och vanliga oceaniska plattor—därmed skeppet mitt i ingenstans. Denna plats i Stilla havet är lika normal som de kommer. Havsbotten här är cirka 70 miljoner år gammal. Det sitter långt ifrån komplikationerna av plattgränser och vulkaniska hotspots. Om vi vill ta reda på själva grunderna i en oceanisk platta—hur en vanlig platta görs och hur den förändras över tiden—mitt i ingenstans är exakt där vi vill vara.

lyssna efter ekon

forskarna ombord på Langseth kunde inte se eller röra den fasta havsbotten långt under fartygets skrov. Även om de kunde komma ner till havets botten, klipporna vi är intresserade av är mil längre ner, djupt under havsbotten. Hur kan du studera något så otillgängligt? Genom att skicka ner ljudvågor och spela in ekon som återvänder efter att ljudet har rest genom underytan. Den tid det tar för ljudet att resa från ljudkällan till en havsbottenseismometer som lyssnar på havsbotten kan berätta om vad som finns under ytan-eftersom ljudets hastighet beror på materialets sammansättning och struktur som ljudvågen färdas genom, liksom temperaturen och trycket som materialet är under.

denna teknik kallas aktiv-källa seismologi – i motsats till passiv seismologi, där jordbävningar ger en naturligt förekommande men okontrollerad ljudkälla. Det är inte en perfekt teknik. Men genom att lyssna på ekon och efterklang från den intermittenta bubblande vakna efter skeppet kan vi hitta ledtrådar kvar i klipporna när de smälte, flödade, kyldes och knäcktes över tiotals miljoner år. Och vi kan börja spåra historien om en vanlig bit oceanisk platta.forskarna på Langseth samlade data över en lapp av havsbotten ungefär 400-by-600 kvadratkilometer (250-by-375 kvadrat miles), mäta hastigheten på ljudvågor som reser i olika riktningar. Uppgifterna visar att ljudet färdas cirka 0,6 kilometer per sekund (2000 fot per sekund) snabbare går öster och väster än att gå norr och söder på denna plats. Vi förväntade oss att hitta det, ge eller ta några procent. Men uppgifterna visar också något annat: Hastigheten på ljudvågorna som går öster och väster ökar när du går djupare in i denna bit av oceanisk platta, men nord–syd ljudhastigheten förblir konstant. Vad kan detta berätta om hur tektoniska plattor bildas?

smältande och flytande

oceaniska plattor smides kontinuerligt vid mid-ocean ridges, en undervattensbergskedja skapad där kanterna på två plattor separeras. Om du kunde sitta rätt under en ås, skulle du se stenar från jordens mantel—det heta lagret som ligger bakom skorpan—smälter och perkolerar upp mot sömmen mellan de två plattorna. Den smälta stenen svalnar för att bilda skorpan. Den nya skorpan dras långsamt ut och bort från åsen när de två plattorna rör sig isär, vilket ger plats för smält mantel.

den övre delen av manteln flyter också i sidled tillsammans med den spröda skorpan, kylning och förstärkning när den rör sig bort från åsen. Missförstå mig inte—den här flytande övre manteln är fortfarande solid sten. Nyckeln här är tid. För korta (mänskliga) mängder tid uppträder den övre manteln som en fast, men över miljontals år kan de heta grejerna under åsen sippra tillsammans med skorpan. Det är som dumt kitt: Slå det snabbt med en hammare och det splittras, men tryck det med handen, långsamt, och det bara squashes. Plattan som helhet är gjord av skorpan plus att fast strömmande översta mantel. De rör sig tillsammans som en styv kropp, skjuts ut från åsen över tiotals miljoner år.

mantel som flyter vid åsen har en bestående effekt: den justerar kristaller i klipporna i den övre manteln så att de pekar i flödesriktningen. Den kristallinriktningen blir frusen i plattan när den rör sig bort från Åsens värme. Föreställ dig vad som händer om du släpper en lastbil med stockar i en snabbflödande flod. Loggarna kommer att trängas och vända i strömmen tills de alla pekar nedströms. Dessa kristaller gör detsamma, bara i en mycket långsammare typ av flöde. Vi kallar denna anpassning av kristaller ett ” tyg.”Liksom vävt tyg har det några riktningar inbyggda i det.

det kristalltyget är det som gör att ljudvågor färdas snabbare öster och väster än norr och söder på vår studieplats i Stilla havet. Hur fungerar det? Tänk på en stock som flyter i en flod. Det tar mindre kraft att dela en stock med kornet än att såga mot kornet. Vi geofysiker säger att loggar är anisotropa: loggens styrka är inte (an) samma (iso) om du vänder (tropos) loggen till en annan orientering.

ljudets hastighet är också anisotrop: ljudet färdas snabbare med, snarare än mot, kornet. När mantelflödet justerar kristaller i stenar för att peka bort från åsen, kommer ljud som reser i den riktningen genom klipporna att röra sig snabbare. Detta anisotropa kristalltyg är en signatur av plattbildning som vi har mätt 70 miljoner år senare, ute i Stilla havet.

kylning och sprickbildning

men det här är inte riktigt hela historien. Vi har också mätt hur ljudhastigheten ändras på olika djup under havsbotten, och kristallinriktningen förklarar inte varför öst-väst ljudvågor reser snabbare när de rör sig genom stenar djupare in i plattan. För att räkna ut detta måste vi titta förbi åsen och se vad som hände med vår tallrik mellan den tid den bildades och idag.

Plattan börjar varm vid mid-ocean ridge. Med tiden absorberar det kalla havsvattnet som sitter på toppen den värmen, och plattan stelnar, förtätar och kontraherar. Små sprickor bildas. Du kan se liknande typer av termisk sammandragning på vägar och trottoarer. Efter en hård vinter dyker sprickor upp där trottoaren krympte i kylan. I oceaniska plattor tenderar termiska sprickor att bildas parallellt med åsen.

dessa inriktade sprickor skapar också anisotropi. Ljudvågor som reser parallellt med sprickor påverkas inte av dem, men vågor som försöker gå vinkelrätt eller i vinkel genom sprickorna saktas ner. De mikroskopiska sprickor som vi tror finns i plattans övre mantel kan delvis avbryta kristallvävets anisotropi från mantelflödet.

men ju djupare vi går i vår tallrik, desto mer överliggande stenar ökar trycket på klipporna under dem, komprimerar sprickorna och klämmer fast dem. Och det ger vår bästa förklaring till våra observationer: På grunda djup motverkar sprickorna kristallväven, men när trycket ökar djupare ner stänger sprickorna och vi ser de fulla effekterna av kristallinriktning.

lyssna på jorden

mycket hände med denna vanliga oceaniska platta över 70 miljoner år. Vi har hittat spår av smältning, mantelflöde, kylning och spröd sprickbildning, allt avslöjat genom att använda ekon av ljudvågor som passerar genom underytan.

det är ganska anmärkningsvärt att vi kan dechiffrera historien om en tektonisk platta på denna nivå. I de tidiga dagarna av plattektonisk teori letade forskare efter anisotropi för att ge bevis för att plattspridning i havet faktiskt hände. Nu är våra mätningar tillräckligt bra för att se bortom det: anisotropi kodar information om plattspridning och om andra processer som förändrar plattan miljontals år efter att kristallerna först justerades vid åsen.

vad mer kan vi lära av anisotropi? Kan vi använda den för att avslöja och kartlägga ”strömmar” av sten som flyter i jordens inre som vi kan för havsströmmar? Inte riktigt än, men nya mätningar ger upphov till en ny generation frågor, och när vi lyssnar närmare på ekon som ekar genom jorden, kanske vi hör några av svaren om hur planetens ansikte vi kallar hem har bildats och utvecklats.

denna forskning finansierades av National Science Foundation, en NSF Graduate Research Fellowship, J. Seward Johnson Fund, en Paul McDonald Fye Graduate Fellowship i oceanografi, och en Charles D. Hollister Graduate Student Fellowship.