Subducerende plader af jordskorpen kan generere usædvanlige træk, der er plettet nær kernen

Næsten 1, 800 miles under jordens overflade, der er store mærkelige strukturer, der lurer ved bunden af ​​kappen, sidder lige over kernen. Kappen er et tykt lag af varmt, for det meste plastisk sten, der omgiver kernen; på toppen af ​​kappen er den tynde skal af jordskorpen. På geologiske tidsskalaer, kappen opfører sig som en tyktflydende væske, med solide elementer, der synker og stiger gennem dets dybder.

De førnævnte mærkelige strukturer, kendt som ultra-lavhastighedszoner (ULVZ'er), blev først opdaget i 1995 af Caltechs Don Helmberger. ULVZ'er kan studeres ved at måle, hvordan de ændrer de seismiske bølger, der passerer gennem dem. Men at observere er ikke nødvendigvis forståelse. Ja, ingen er rigtig sikker på, hvad disse strukturer er.

ULVZ'er er såkaldte, fordi de sænker hastigheden af ​​seismiske bølger betydeligt; for eksempel, de bremser forskydningsbølger (oscillerende seismiske bølger, der er i stand til at bevæge sig gennem faste legemer) med så meget som 30 procent. ULVZ'er er flere miles tykke og kan være hundreder af miles på tværs. Flere er spredt nær jordens kerne nogenlunde under Stillehavsranden. Andre er samlet under Nordamerika, Europa, og Afrika.

"ULVZ'er eksisterer så dybt i den indre jord, at de er umulige at studere direkte, hvilket udgør en betydelig udfordring, når man forsøger at afgøre, hvad de præcist er, siger Helmberger, Smits familieprofessor i geofysik, Emeritus.

Jordforskere ved Caltech siger nu, at de ikke kun ved, hvad ULVZ'er er lavet af, men hvor de kommer fra. Brug af eksperimentelle metoder ved høje tryk, forskerne, ledet af professor i mineralfysik Jennifer Jackson, har fundet ud af, at ULVZ'er består af bidder af et magnesium/jernoxidmineral kaldet magnesiowüstit, der kunne være udfældet fra et magmahav, der menes at have eksisteret i bunden af ​​kappen for millioner af år siden.

Den anden førende teori for ULVZs dannelse havde foreslået, at de består af smeltet materiale, noget af det siver muligvis op fra kernen.

Jackson og hendes kolleger, der rapporterede om deres arbejde i en nylig avis i Journal of Geophysical Research :Fast jord, fundet beviser, der understøtter magnesiowüstite-teorien ved at studere mineralets elastiske (eller seismiske) anisotropi; elastisk anisotropi er en variation i den hastighed, hvormed seismiske bølger passerer gennem et mineral afhængigt af deres bevægelsesretning.

Et særligt usædvanligt kendetegn ved den region, hvor ULVZ'er eksisterer - kerne-kappegrænsen (CMB) - er, at den er meget heterogen (uensartet karakter) såvel som anisotropisk. Som resultat, hastigheden, hvormed seismiske bølger bevæger sig gennem CMB, varierer baseret ikke kun på det område, som bølgerne passerer igennem, men på den retning, som disse bølger bevæger sig i. Udbredelsesretningen, faktisk, kan ændre bølgernes hastighed med en faktor tre.

"Tidligere videnskabsmænd forklarede anisotropien som et resultat af seismiske bølger, der passerer gennem et tæt silikatmateriale. Det, vi foreslår, er, at i nogle regioner, det skyldes i høj grad tilpasningen af ​​magnesiowüstite inden for ULVZ'er, " siger Jackson.

Ved de tryk og temperaturer, der opleves på jordens overflade, magnesiowüstit udviser lidt anisotropi. Imidlertid, Jackson og hendes team fandt ud af, at mineralet bliver stærkt anisotropt, når det udsættes for tryk, der kan sammenlignes med dem, der findes i den nedre kappe.

Jackson og hendes kolleger opdagede dette ved at placere en enkelt krystal af magnesiowüstit i en diamantamboltcelle, som i det væsentlige er et lillebitte kammer placeret mellem to diamanter. Når de stive diamanter presses mod hinanden, trykket inde i kammeret stiger. Jackson og hendes kolleger bombarderede derefter prøven med røntgenbilleder. Røntgenstrålernes interaktion med prøven fungerer som en proxy for, hvordan seismiske bølger vil bevæge sig gennem materialet. Ved et tryk på 40 gigapascal - svarende til trykket ved den nedre kappe - var magnesiowüstit signifikant mere anisotropisk end seismiske observationer af ULVZ'er.

For at skabe objekter så store og stærkt anisotrope som ULVZ'er, kun en lille mængde magnesiowüstit-krystaller skal justeres i én bestemt retning, sandsynligvis på grund af påføring af tryk fra en stærk ydre kraft. Dette kunne forklares ved en subducerende plade af jordskorpen, der skubber sig vej til CMB, siger Jackson. (Subduktion finder sted ved visse grænser mellem jordens tektoniske plader, hvor en plade dykker ned under en anden, udløser vulkanisme og jordskælv.)

"Forskere er stadig i gang med at finde ud af, hvad der sker med skorpen, når den trækkes ind i kappen, " siger Jackson. "En mulighed, som vores forskning nu synes at understøtte, er, at disse plader skubber helt ned til kerne-kappegrænsen og hjælper med at forme ULVZ'er."

Næste, Jackson planlægger at udforske samspillet mellem subduktionsplader, ULVZ'er, og deres seismiske signaturer. Fortolkning af disse funktioner vil hjælpe med at sætte begrænsninger på processer, der skete tidligt i Jordens historie, hun siger.

Undersøgelsen har titlen "Strongly Anisotropic Magnesiowüstite in Earth's Lower Mantle."