Wie wird der Meeresboden gemacht?

Steigen Sie in Los Angeles in ein Schiff und fahren Sie nach Südwesten, bis Sie das Land aus den Augen verlieren. Dann geh weiter und geh und geh, bis du mitten im Nirgendwo im Pazifischen Ozean bist. Es gibt nichts zu sehen außer Wasser in alle Richtungen. Aber wenn Sie im Dezember 2011 dort gewesen wären, wären Sie einem Schiff begegnet, das in einem eigenartigen Muster segelt. Es bewegte sich nach Osten und Westen und nach Norden und Süden und um einen Halbkreis. Und währenddessen brach alle vier Minuten wie am Schnürchen eine Quelle sprudelnden Meerwassers hinter dem Schiff aus.

Dies war weder eine militärische Übung noch ein Signal an UFOs, noch eine seltsame Luxuskreuzfahrt. Die Passagiere auf dem Forschungsschiff Marcus G. Langseth waren Wissenschaftler, und die großen Blasen stammten von Luftgewehren, die Druckluft abgaben. Die Blasen platzen mit lauten Knallen und senden Schallwellen durch das Wasser und unter den Meeresboden. Die Schallwellen hallten durch Felsen unter dem Meeresboden und wurden von Abhörgeräten auf dem Meeresboden aufgezeichnet. Wie Fledermäuse, die durch Echoortung navigierten, verwendeten die Forscher Schall, um einen Mangel an Sicht zu kompensieren, als sie die Felsen unter dem Ozean untersuchten.

Inzwischen fragen Sie sich vielleicht, warum wir Wissenschaftler speziell auf die Mitte des Pazifiks abzielten. Die Felsen unter dem Pazifik sind Teil der pazifischen tektonischen Platte, einer von etwa einem Dutzend riesigen Platten, die die spröde äußere Schicht unseres Planeten bilden und wie die Teile eines Puzzles zusammenpassen. Tektonische Platten bewegen sich wie gigantische Autoscooter in Zeitlupe, bauen Bergketten auf, wenn sie kollidieren, erschüttern den Planeten mit Erdbeben, wenn sie rutschen und brechen, und ordnen die Weltkarte allmählich ständig neu an.Wissenschaftler haben ozeanische Platten in der Nähe der sich verschiebenden Grenzen zwischen den Platten und in der Nähe einzigartiger Merkmale wie der Hawai’ian Islands sehr detailliert untersucht. Aber wir wissen nicht wirklich, wie eine „normale“ ozeanische Platte aussieht. Sie können es sich so vorstellen: Stellen Sie sich vor, die moderne Medizin wüsste alles über seltene Erbkrankheiten, aber niemand könnte sich auf die Durchschnittstemperatur eines gesunden menschlichen Körpers einigen.

Das ist mehr oder weniger die Situation mit marinen Geophysikern und gewöhnlichen ozeanischen Platten — daher das Schiff mitten im Nirgendwo. Dieser Ort im Pazifik ist so normal wie sie kommen. Der Meeresboden hier ist etwa 70 Millionen Jahre alt. Es liegt weit weg von den Komplikationen der Plattengrenzen und vulkanischen Hotspots. Wenn wir die Grundlagen einer ozeanischen Platte herausfinden wollen — wie eine gewöhnliche Platte hergestellt wird und wie sie sich im Laufe der Zeit verändert — ist die Mitte von Nirgendwo genau dort, wo wir sein wollen.

Auf Echos lauschen

Die Wissenschaftler an Bord der Langseth konnten den festen Meeresboden weit unter dem Schiffsrumpf weder sehen noch berühren. Selbst wenn sie auf den Grund des Ozeans gelangen könnten, sind die Felsen, an denen wir interessiert sind, Meilen weiter unten, tief unter dem Meeresboden. Wie kann man etwas so Unzugängliches studieren? Indem Sie Schallwellen aussenden und die Echos aufzeichnen, die zurückkehren, nachdem der Schall durch den Untergrund gereist ist. Die Zeit, die der Schall benötigt, um von der Schallquelle zu einem Seismometer am Meeresboden zu gelangen, kann uns Aufschluss darüber geben, was sich unter der Oberfläche befindet – denn die Schallgeschwindigkeit hängt von der Zusammensetzung und Struktur des Materials ab, durch das sich die Schallwelle bewegt, sowie von der Temperatur und dem Druck, unter denen das Material steht.Diese Technik wird als aktive Seismologie bezeichnet – im Gegensatz zur passiven Seismologie, bei der Erdbeben eine natürlich vorkommende, aber unkontrollierte Schallquelle liefern. Es ist keine perfekte Technik. Aber indem wir den Echos und Nachhallen des intermittierenden sprudelnden Nachlaufs des Schiffes lauschen, Wir können Hinweise in den Felsen finden, als sie schmolzen, floss, abgekühlt, und über zig Millionen Jahre geknackt. Und wir können beginnen, die Geschichte eines gewöhnlichen Stücks ozeanischer Platte zu verfolgen.Die Wissenschaftler auf der Langseth sammelten Daten über einen etwa 400 mal 600 Quadratkilometer (250 mal 375 Quadratmeilen) großen Teil des Meeresbodens und maßen die Geschwindigkeit von Schallwellen, die sich in verschiedene Richtungen bewegen. Die Daten zeigen, dass sich der Schall an dieser Stelle etwa 0,6 Kilometer pro Sekunde (2.000 Fuß pro Sekunde) schneller nach Osten und Westen bewegt als nach Norden und Süden. Wir haben erwartet, dass wir das finden, ein paar Prozent geben oder nehmen. Aber die Daten zeigen auch etwas anderes: Die Geschwindigkeit der Schallwellen, die nach Osten und Westen gehen, nimmt zu, wenn Sie tiefer in dieses Stück ozeanischer Platte eindringen, aber die Nord–Süd-Schallgeschwindigkeit bleibt konstant. Was kann uns das darüber sagen, wie sich tektonische Platten bilden?

Schmelzen und Fließen

Ozeanische Platten werden kontinuierlich an mittelozeanischen Graten geschmiedet, einer unterseeischen Gebirgskette, die dort entsteht, wo sich die Kanten zweier Platten trennen. Wenn Sie direkt unter einem Grat sitzen könnten, würden Sie sehen, wie Felsen aus dem Erdmantel — der heißen Schicht unter der Kruste — schmelzen und in Richtung der Naht zwischen den beiden Platten versickern. Das geschmolzene Gestein kühlt ab und bildet die Kruste. Die neue Kruste wird langsam herausgezogen und weg von dem Grat, wie die beiden Platten auseinander bewegen, so dass Platz für geschmolzenen Mantel.

Der obere Teil des Mantels fließt auch seitlich zusammen mit dieser spröden Kruste und kühlt und verstärkt sich, wenn er sich vom Kamm wegbewegt. Versteh mich nicht falsch – dieser fließende obere Mantel ist immer noch fester Fels. Der Schlüssel hier ist Zeit. Für kurze (menschliche) Zeiträume verhält sich der obere Mantel wie ein Feststoff, aber über Millionen von Jahren kann das heiße Zeug unter dem Kamm zusammen mit der Kruste sickern. Es ist wie silly putty: Schlage es schnell mit einem Hammer und es zerbricht, aber drücke es langsam mit deiner Hand und es zerquetscht nur. Die Platte als Ganzes besteht aus der Kruste plus dem fest fließenden obersten Mantel. Sie bewegen sich zusammen als ein starrer Körper, der über zig Millionen Jahre aus dem Grat herausgeschoben wurde.

Der am Kamm fließende Mantel wirkt nachhaltig: Er richtet Kristalle innerhalb der Gesteine im oberen Mantel so aus, dass sie in Strömungsrichtung zeigen. Diese Kristallausrichtung wird in der Platte eingefroren, wenn sie sich von der Hitze des Kamms entfernt. Stellen Sie sich vor, was passiert, wenn Sie eine LKW-Ladung Baumstämme in einen schnell fließenden Fluss fallen lassen. Die Protokolle drängeln sich und drehen sich in der Strömung, bis sie alle stromabwärts zeigen. Diese Kristalle tun dasselbe, nur in einer viel langsameren Art von Fluss. Wir nennen diese Ausrichtung von Kristallen ein „Gewebe.“ Wie gewebtes Tuch hat es einige Richtungen eingebaut.

Dieses Kristallgewebe lässt Schallwellen an unserem Untersuchungsort im Pazifik schneller nach Osten und Westen als nach Norden und Süden wandern. Wie funktioniert das? Nun, denken Sie an einen dieser Stämme, die in einem Fluss fließen. Es braucht weniger Kraft, um einen Baumstamm mit dem Korn zu spalten, als gegen das Korn zu sägen. Wir Geophysiker sagen, dass Protokolle anisotrop sind: Die Stärke des Protokolls ist nicht (an) gleich (iso), wenn Sie das Protokoll in eine andere Ausrichtung drehen (tropos).

Die Schallgeschwindigkeit ist ebenfalls anisotrop: Schall bewegt sich schneller mit als gegen das Korn. Wenn die Mantelströmung Kristalle in Gesteinen so ausrichtet, dass sie vom Kamm weg zeigen, bewegt sich der Schall, der sich in diese Richtung durch die Felsen bewegt, schneller. Dieses anisotrope Kristallgewebe ist eine Signatur der Plattenbildung, die wir 70 Millionen Jahre später im Pazifik gemessen haben.

Abkühlen und Knacken

Aber das ist nicht ganz die ganze Geschichte. Wir haben auch gemessen, wie sich die Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Tiefen unter dem Meeresboden ändert, und diese Ausrichtung erklärt nicht, warum sich Ost-West-Schallwellen schneller bewegen, wenn sie sich durch Felsen tiefer in die Platte bewegen. Um dies herauszufinden, müssen wir über den Kamm schauen und sehen, was mit unserer Platte zwischen der Zeit, als sie sich bildete, und dem heutigen Tag passiert ist.

Die Platte beginnt heiß am mittelozeanischen Rücken. Im Laufe der Zeit absorbiert das kalte Meerwasser, das oben sitzt, diese Wärme, und die Platte versteift sich, verdichtet sich und zieht sich zusammen. Es bilden sich winzige Risse. Sie können ähnliche Arten der thermischen Kontraktion auf Straßen und Gehwegen sehen. Nach einem harten Winter zeigen sich Risse, wo der Bürgersteig in der Kälte schrumpfte. In ozeanischen Platten neigen thermische Risse dazu, sich parallel zum Kamm zu bilden.

Diese ausgerichteten Risse erzeugen auch Anisotropie. Schallwellen, die sich parallel zu Rissen bewegen, werden von ihnen nicht beeinflusst, aber Wellen, die versuchen, senkrecht oder in einem Winkel durch die Risse zu gehen, werden verlangsamt. Die mikroskopischen Risse, von denen wir glauben, dass sie sich im oberen Mantel der Platte befinden, können die Anisotropie des Kristallgewebes aus dem Mantelfluss teilweise aufheben.

Aber je tiefer wir in unsere Platte gehen, desto mehr darüber liegende Felsen erhöhen den Druck auf die Felsen unter ihnen, komprimieren die Risse und drücken sie zu. Und das bietet unsere beste Erklärung für unsere Beobachtungen: In geringen Tiefen wirken die Risse dem Kristallgewebe entgegen, aber wenn der Druck tiefer ansteigt, schließen sich die Risse und wir sehen die vollen Auswirkungen der Kristallausrichtung.

Der Erde zuhören

Mit dieser gewöhnlichen ozeanischen Platte ist über 70 Millionen Jahre viel passiert. Wir haben Spuren von Schmelzen, Mantelströmung, Abkühlung und spröden Rissen gefunden, die alle durch die Verwendung der Echos von Schallwellen, die durch den Untergrund gehen, aufgedeckt wurden.

Es ist ziemlich bemerkenswert, dass wir die Geschichte einer tektonischen Platte auf dieser Ebene entschlüsseln können. In den frühen Tagen der plattentektonischen Theorie suchten Wissenschaftler nach Anisotropie, um nachzuweisen, dass sich die Platte tatsächlich im Ozean ausbreitete. Jetzt, Unsere Messungen sind gut genug, um darüber hinaus zu sehen: Anisotropie kodiert Informationen über die Plattenausbreitung und über andere Prozesse, die die Platte Millionen von Jahren nach der ersten Ausrichtung der Kristalle am Kamm verändern.

Was können wir noch von der Anisotropie lernen? Könnten wir es verwenden, um „Strömungen“ von Gestein, die im Erdinneren fließen, zu enthüllen und zu kartieren, wie wir es für Meeresströmungen können? Noch nicht ganz, aber neue Messungen führen zu einer neuen Generation von Fragen, und wenn wir den Echos, die durch die Erde hallten, genauer zuhören, werden wir vielleicht einige der Antworten darüber hören, wie sich das Gesicht des Planeten, den wir Heimat nennen, gebildet und entwickelt hat.Diese Forschung wurde von der National Science Foundation, einem NSF Graduate Research Fellowship, dem J. Seward Johnson Fund, einem Paul McDonald Fye Graduate Fellowship in Oceanography und einem Charles D. Hollister Graduate Student Fellowship finanziert.