Massivt boliviansk jordskælv afslører bjerge 660 kilometer under vores fødder

De fleste skoleelever lærer, at Jorden har tre (eller fire) lag:en skorpe, kappe og kerne, som undertiden er opdelt i en indre og ydre kerne. Det er ikke forkert, men det udelader dog flere andre lag, som forskere har identificeret inden for Jorden.

I en undersøgelse offentliggjort i denne uge i Videnskab , Princeton -geofysikere Jessica Irving og Wenbo Wu, i samarbejde med Sidao Ni fra Institute of Geodesy and Geophysics i Kina, brugte data fra et enormt jordskælv i Bolivia til at finde bjerge og anden topografi på et lag, der ligger 660 kilometer (410 miles) lige ned, som adskiller den øvre og nedre kappe. (Mangler et formelt navn for dette lag, forskerne kalder det ganske enkelt "grænsen på 660 km.")

For at kigge dybt ind i Jorden, forskere bruger de mest kraftfulde bølger på planeten, som genereres af massive jordskælv. "Du vil have en stor, dybt jordskælv for at få hele planeten til at ryste, sagde Irving, en adjunkt i geovidenskab.

Store jordskælv er langt kraftigere end små-energien stiger 30 gange med hvert trin op ad Richter-skalaen-og dybe jordskælv, "i stedet for at fritte deres energi væk i skorpen, kan få gang i hele kappen, "Sagde Irving. Hun får sine bedste data fra jordskælv, der er 7,0 eller højere, hun sagde, da chokbølgerne, de sender ud i alle retninger, kan bevæge sig gennem kernen til den anden side af planeten - og tilbage igen. Til denne undersøgelse, de vigtigste data kom fra bølger, der blev opsamlet efter et jordskælv på 8,2-det næststørste dybe jordskælv, der nogensinde er registreret-der rystede Bolivia i 1994.

"Så store jordskælv kommer ikke ret ofte, "sagde hun." Vi er heldige nu, hvor vi har så mange flere seismometre, end vi havde for 20 år siden. Seismologi er et andet felt, end det var for 20 år siden, mellem instrumenter og beregningsressourcer. "

Seismologer og dataforskere bruger kraftfulde computere, herunder Princetons Tiger -supercomputer -klynge, at simulere den komplicerede opførsel af spredning af bølger på den dybe jord.

Teknologien afhænger af en grundlæggende egenskab ved bølger:deres evne til at bøje og hoppe. Ligesom lysbølger kan hoppe (reflektere) ud af et spejl eller bøje (bryde), når de passerer gennem et prisme, jordskælvsbølger bevæger sig lige gennem homogene klipper, men reflekterer eller brydes, når de støder på en grænse eller ruhed.

"Vi ved, at næsten alle objekter har overfladeruhed og derfor spreder lys, "sagde Wu, hovedforfatteren på det nye papir, der netop afsluttede sin geovidenskab ph.d. og er nu postdoktoralforsker ved California Institute of Technology. "Derfor kan vi se disse objekter - de spredende bølger bærer informationen om overfladens ruhed. I denne undersøgelse, vi undersøgte spredte seismiske bølger, der rejser inde i Jorden for at begrænse ruheden af ​​Jordens 660 km lange grænse. "

Forskerne blev overrasket over, hvor grov den grænse er - grovere end overfladelaget, som vi alle lever på. "Med andre ord, stærkere topografi end Rocky Mountains eller Appalacherne er til stede ved grænsen på 660 km, "sagde Wu. Deres statistiske model tillod ikke præcise højdebestemmelser, men der er en chance for at disse bjerge er større end noget på overfladen af ​​jorden. Ruheden var ikke lige fordelt, enten; ligesom skorpeoverfladen har glatte havbund og massive bjerge, grænsen på 660 km har ru områder og glatte pletter. Forskerne undersøgte også et lag 410 kilometer (255 miles) ned, øverst i midten af ​​kappen "overgangszone, "og de fandt ikke lignende ruhed.

"De finder ud af, at Jordens dybe lag er lige så komplicerede som det, vi observerer på overfladen, "sagde seismolog Christine Houser, en adjunkt ved Tokyo Institute of Technology, der ikke var involveret i denne forskning. "At finde 1-3 km højdeændringer på en grænse, der er over 660 km dyb ved hjælp af bølger, der rejser gennem hele Jorden og tilbage er en inspirerende bedrift. ... Deres fund tyder på, at som jordskælv opstår, og seismiske instrumenter bliver mere sofistikerede og udvider sig til nye områder, vi vil fortsætte med at opdage nye småskala signaler, der afslører nye egenskaber ved Jordens lag. "

Hvad det betyder

Tilstedeværelsen af ​​ruhed på grænsen på 660 km har betydelige konsekvenser for at forstå, hvordan vores planet dannede og fortsætter med at fungere. Det lag deler kappen, som udgør omkring 84 procent af Jordens volumen, i dens øvre og nedre sektioner. Årevis, geoforskere har diskuteret, hvor vigtig den grænse er. I særdeleshed, de har undersøgt, hvordan varme bevæger sig gennem kappen-om varme klipper føres jævnt fra kernemantelgrænsen (næsten 2, 000 miles ned) helt op til toppen af ​​kappen, eller om overførslen afbrydes på dette lag. Nogle geokemiske og mineralogiske beviser tyder på, at den øvre og nedre kappe er kemisk forskellige, hvilket understøtter ideen om, at de to sektioner ikke blandes termisk eller fysisk. Andre observationer tyder ikke på nogen kemisk forskel mellem den øvre og nedre kappe, får nogle til at argumentere for det, der kaldes en "godt blandet kappe, "med både den øvre og nedre kappe deltager i den samme varmeoverførselscyklus.

"Vores resultater giver indsigt i dette spørgsmål, "sagde Wu. Deres data tyder på, at begge grupper kan have delvis ret. De jævnere områder på 660 km grænsen kan skyldes mere grundig lodret blanding, mens den hårdere, bjergrige områder kan have dannet sig, hvor den øvre og nedre kappe ikke blandes så godt.

Ud over, den ruhed, forskerne fandt, som fandtes i det store hele, moderate og små skalaer, teoretisk set kunne skyldes varmeafvigelser eller kemiske heterogeniteter. Men på grund af hvordan varmen transporteres inden i kappen, Wu forklarede, enhver termisk anomali i lille skala ville blive udjævnet inden for en million år. Det efterlader kun kemiske forskelle for at forklare den lille grovhed, de fandt.

Hvad kan forårsage betydelige kemiske forskelle? Indførelsen af ​​sten, der tidligere tilhørte skorpen, hviler nu stille i kappen. Forskere har længe diskuteret skæbnen for havbundens plader, der bliver skubbet ind i kappen ved subduktionszoner, de kollisioner, der fandt sted rundt om i Stillehavet og andre steder rundt om i verden. Wu og Irving antyder, at rester af disse plader nu kan være lige over eller lige under grænsen på 660 km.

"Det er let at antage, givet vi kun kan registrere seismiske bølger, der bevæger sig gennem Jorden i dens nuværende tilstand, at seismologer ikke kan hjælpe med at forstå, hvordan Jordens indre har ændret sig i løbet af de sidste 4,5 milliarder år, "sagde Irving." Det spændende ved disse resultater er, at de giver os nye oplysninger for at forstå skæbnen for gamle tektoniske plader, der er faldet ned i kappen, og hvor gammelt kappe -materiale stadig kan opholde sig. "

Hun tilføjede:"Seismologi er mest spændende, når den lader os bedre forstå vores planets indre både i rum og tid."