Forskere finder, at seismisk billeddannelse er blind for vand

Når et jordskælv rammer, nærliggende seismometre opfanger dets vibrationer i form af seismiske bølger. Ud over at afsløre epicentret af et jordskælv, seismiske bølger kan give videnskabsmænd en måde at kortlægge jordens indre strukturer, meget ligesom en CT-scanning afbilder kroppen.

Ved at måle den hastighed, hvormed seismiske bølger bevæger sig i forskellige dybder, videnskabsmænd kan bestemme, hvilke typer sten og andre materialer, der ligger under jordens overflade. Nøjagtigheden af ​​sådanne seismiske kort afhænger af videnskabsmænds forståelse af, hvordan forskellige materialer påvirker seismiske bølgers hastigheder.

Nu har forskere ved MIT og Australian National University fundet ud af, at seismiske bølger i det væsentlige er blinde for et meget almindeligt stof, der findes i hele Jordens indre:vand.

Deres resultater, offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur , gå imod en generel antagelse om, at seismisk billeddannelse kan opfange tegn på vand dybt inde i Jordens øvre kappe. Faktisk, holdet fandt, at selv spormængder af vand ikke har nogen effekt på hastigheden, hvormed seismiske bølger bevæger sig.

Resultaterne kan hjælpe videnskabsmænd med at genfortolke seismiske kort over Jordens indre. For eksempel, på steder som midocean ridges, magma fra dybt inde i Jorden bryder ud gennem massive revner i havbunden, spredes væk fra højderyggen og størkner til sidst som ny oceanisk skorpe.

Processen med at smelte i ti kilometer under overfladen fjerner små mængder vand, der findes i klipper på større dybde. Forskere har troet, at seismiske billeder viste denne "våd-tørre" overgang, svarende til overgangen fra stive tektoniske plader til deformerbar kappe under. Imidlertid, holdets resultater tyder på, at seismisk billeddannelse kan opfange tegn på ikke vand, men hellere, smelte - bittesmå lommer af smeltet sten.

"Hvis vi ser meget stærke variationer [i seismiske hastigheder], det er mere sandsynligt, at de kommer til at smelte, " siger Ulrich Faul, en forsker i MIT's Department of Earth, Atmosfærisk, og Planetvidenskab. "Vand, baseret på disse eksperimenter, er ikke længere en stor aktør i den forstand. Dette vil ændre, hvordan vi fortolker billeder af Jordens indre."

Fauls medforfattere er hovedforfatteren Christopher Cline, sammen med Emmanuel David, Andrew Berry, og Ian Jackson, fra Australian National University.

Et seismisk twist

Fejl, Cline, og deres kolleger begyndte oprindeligt at bestemme præcis, hvordan vand påvirker seismiske bølgehastigheder. De antog, som de fleste forskere har, at seismisk billeddannelse kan "se" vand, i form af hydroxylgrupper i individuelle mineralkorn i bjergarter, og som lommer af vand i molekylær skala fanget mellem disse korn. Vand, selv i små mængder, har været kendt for at svække klipper dybt inde i Jordens indre.

"Det var kendt, at vand har en stærk effekt i meget små mængder på klippernes egenskaber, " siger Faul. "Derfra, konklusionen var, at vand også påvirker seismiske bølgehastigheder væsentligt."

For at måle i hvilken grad vand påvirker seismiske bølgehastigheder, holdet producerede forskellige prøver af olivin - et mineral, der udgør størstedelen af ​​Jordens øvre kappe og bestemmer dens egenskaber. De fangede forskellige mængder vand i hver prøve, og placerede derefter prøverne en ad gangen i en maskine konstrueret til langsomt at vride en sten, ligner at vride et gummibånd. Forsøgene blev udført i en ovn ved høje tryk og temperaturer, for at simulere forhold dybt inde i Jorden.

"Vi vrider prøven i den ene ende og måler størrelsen og tidsforsinkelsen af ​​den resulterende belastning i den anden ende, " siger Faul. "Dette simulerer udbredelse af seismiske bølger gennem Jorden. Størrelsen af ​​denne stamme svarer til bredden af ​​et tyndt menneskehår - ikke særlig let at måle ved et tryk på 2, 000 gange atmosfærisk tryk og en temperatur, der nærmer sig stålets smeltetemperatur."

Holdet forventede at finde en sammenhæng mellem mængden af ​​vand i en given prøve og den hastighed, hvormed seismiske bølger ville forplante sig gennem prøven. Når de indledende prøver ikke viste den forventede adfærd, forskerne ændrede sammensætningen og målte igen, men de blev ved med at få det samme negative resultat. Til sidst blev det uomgængeligt, at den oprindelige hypotese var forkert.

"Fra vores [vridende] målinger, klipperne opførte sig, som om de var tørre, selvom vi tydeligt kunne analysere vandet derinde, " siger Faul. "På det tidspunkt, vi vidste, at vand ikke gør nogen forskel."

En sten, indkapslet

Et andet uventet resultat af eksperimenterne var, at den seismiske bølgehastighed så ud til at afhænge af en stens oxidationstilstand. Alle sten på Jorden indeholder visse mængder jern, ved forskellige oxidationstilstande, ligesom metallisk jern på en bil kan ruste, når det udsættes for en vis mængde ilt. Forskerne fandt, næsten utilsigtet, at oxidationen af ​​jern i olivin påvirker måden seismiske bølger bevæger sig gennem klippen.

Cline og Faul kom til denne konklusion efter at have skullet rekonfigurere deres eksperimentelle opsætning. For at udføre deres eksperimenter, holdet indkapsler typisk hver stenprøve i en cylinder lavet af nikkel og jern. Imidlertid, ved måling af hver prøves vandindhold i denne cylinder, de fandt ud af, at brintatomer i vand havde en tendens til at flygte ud af klippen, gennem metalhuset. At indeholde brint, de skiftede deres kabinet til et af platin.

Til deres overraskelse fandt de ud af, at den type metal, der omgiver prøverne, påvirkede deres seismiske egenskaber. Separate eksperimenter viste, at det, der faktisk ændrede sig, var mængden af ​​Fe3+ i olivin. Normalt er oxidationstilstanden for jern i olivin 2+. Det viser sig, tilstedeværelsen af ​​Fe3+ producerer ufuldkommenheder, som påvirker seismiske bølgehastigheder.

Faul siger, at gruppens resultater tyder på, at seismiske bølger kan bruges til at kortlægge niveauer af oxidation, såsom ved subduktionszoner - områder i Jorden, hvor oceaniske plader synker ned i kappen. Baseret på deres resultater, imidlertid, seismisk billeddannelse kan ikke bruges til at afbilde fordelingen af ​​vand i Jordens indre. Hvad nogle videnskabsmænd fortolkede som vand, kan faktisk være smeltning - en indsigt, der kan ændre vores forståelse af, hvordan Jorden skifter sine tektoniske plader over tid.

"Et underliggende spørgsmål er, hvad der smører tektoniske plader på Jorden, " siger Faul. "Vores arbejde peger på vigtigheden af ​​små mængder smelte ved bunden af ​​tektoniske plader, snarere end en våd kappe under tørre plader. Samlet set kan disse resultater hjælpe med at belyse flygtige cykler mellem det indre og jordens overflade."