Et første glimt dybt under en ultralavspredende mid-ocean højderyg

For første gang nogensinde, forskere har været i stand til at kigge dybt ned i Jordens kappe under en ultralav midterhavsryg, hvor de har været i stand til at observere kappe smeltning og vækst af jordskorpen.

For mere end 100 år siden, bemærkede den tyske meteorolog og ivrige ballonist Alfred Wegener i et brev til sin kommende kone Elsa Köppen om et ulige mønster, han lagde mærke til på verdenskort.

"Passer ikke Sydamerikas østkyst nøjagtigt mod Afrikas vestkyst, som om de engang var blevet tilsluttet?" skrev han angiveligt i december 1910. "Dette er en idé, jeg bliver nødt til at forfølge."

Wegeners indsigt førte til sidst til forståelsen, mange årtier og megen debat senere, at Jorden er lavet af plader, der passer sammen som den revnede skal af et æg – bortset fra at skallerne, eller tallerkener, bevæge sig rundt på et mere plastisk lag kaldet asthenosfæren.

De områder, hvor pladerne bevæger sig fra hinanden, som midt på Atlanterhavet, er, hvor der dannes ny skorpe. Her, smeltet sten stiger op, danner en højderyg mellem pladerne. Men fordi disse midthavsrygge er på dybt vand og fjerntliggende, de er notorisk svære at studere og er dårligt forståede.

Nu, et team af norske forskere har brugt avanceret elektromagnetisk teknologi til at skabe de første nogensinde billeder af en bestemt type midthavsryg, som en måde at lære mere om de dynamiske kræfter i Jordens kappe nedenunder. Deres resultater er netop blevet offentliggjort i Natur

Dyb billeddannelse af det ukendte

Ståle Emil Johansen, undersøgelsens første forfatter og professor ved Norges Tekniske Universitets (NTNU) Institut for Geovidenskab og Petroleum, siger, at forskerne besluttede at studere en bestemt type midterhavskam, der kaldes en ultralavspredende højderyg.

Som navnet antyder, det er her, plader bevæger sig ekstremt langsomt fra hinanden, mindre end 20 millimeter om året. I modsætning, hastigheder målt på forskellige dele af stillehavspladen viser bevægelser på mere end 150 mm om året.

Mere end 30 procent af midterhavets kamme i verden er ultralavspredende kamme, han sagde. Men for alt det, geologer ved meget lidt om dem.

"Ingen har nogensinde afbildet den slags kamme, før de brugte moderne elektromagnetiske metoder, og dette er dybere, end vi nogensinde har kunnet forestille os før, "sagde han." De dybe strukturer er simpelthen ukendte. "

Loki's Castle under havet

Den ultralangsomt spredede højderyg, som holdet undersøgte, kaldes Mohns Ridge. Det ligger sydvest for Svalbard og øst for Grønlands kyst.

Her, havskorpen er meget tynd, og der er en fremtrædende sort rygermark i et område kaldet Loki's Castle. Sorte rygere er åbninger på havbunden, der frigiver en konstant strøm af ekstremt varme, mineralrig havvand. Sorte rygere er også en førsteklasses placering for aflejring af dybhavsmineraler.

Johansen sagde, at projektet var fokuseret på at udvikle grundlæggende information om den slags kræfter, der driver opsvulmning af delvist smeltede kappeklipper langs kamme.

"Det er grundforskning, " han sagde, "selvom det også giver banebrydende indsigt i dannelsen af ​​sorte rygere og undersøiske metalforekomster."

Måling af svage spændinger over store afstande

Forskerne var i stand til at bruge en særlig form for elektromagnetisk billedbehandlingsteknik kaldet CSEM (controlled-source electromagnetic surveying technology). Teknologien kræver, at et skib placerer antenner på havbunden i et gitter, hvorefter skibet slæber en kilde til elektromagnetisk energi over nettet på et langt kabel og indsamler oplysninger om energien, der vender tilbage fra undergrunden.

Havbundsantennerne er også i stand til at optage en anden type elektromagnetisk signal, et naturligt forekommende elektromagnetisk baggrundsignal. Teknikken, der bruger denne energi, kaldes magnetotellurics (MT). "Ladede partikler fra solen skaber elektriske strømme, når de rammer jordens atmosfære. Du kan også se denne energi, når du ser nordlyset, " han sagde.

Johansen sagde, at det er fascinerende, at dette naturlige signal, som er meget svag, kan endda opdages overhovedet, da den gør en lang rejse fra ionosfæren dybt ned i kappen og tilbage igen til havbunden. Men det virker, især når det kombineres med CSEM-teknologi.

"Det, vi har gjort for første gang, er at kombinere disse to signaler til et, at skabe ganske spektakulære billeder af disse dybe strukturer, " han sagde.

I dette tilfælde, imidlertid, forskerne ønskede at finde ud af, hvad der skete under en ultralavspredende højderyg. Var strukturerne under højderyggen dannet passivt ved delvis at smelte klipper, der boblede op, da de nordamerikanske og eurasiske plader flyttede fra hinanden? blive oversat til billeder, der viser underjordiske fordeling af forskellige stentyper samt smelter og væsker.

I et billede, forskerne var i stand til at opdage VVS -systemet til dybt cirkulerende havvand, der danner mineralforekomster på Loki's Castle.

En anden serie billeder, de lavede, viser, hvad der sker, hvor de to plader spredes fra hinanden, hvilket er hvad forskerne var mest nysgerrige efter.

Teknologien fungerede så godt, at de var i stand til at oprette billeder ned til 120 km under havbunden. Deres fund, de indså, kunne hjælpe med at forklare de kortlagte strukturer under højderyggen og også til at forstå grundlæggende processer, der skaber ultralave kamme.

Forståelse for hvordan ny skorpe dannes ved midterhavet

Selvom Wegeners pladetektoniske teori er blevet accepteret i de sidste seks årtier, og de generelle principper bag pladebevægelse forstås generelt, der er stadig meget mere at lære-især når det kommer til midterhavet.

Det, der er vigtigt at forstå, er, at når plader trækker fra hinanden i en del af kloden, pladekanter mødes på en anden del af kloden. Det betyder, at noget skal give.

Når to plader møder siden på en plade bliver skubbet, eller subduceret, under den anden plade. Dette er hvad der sker i Stillehavet, hvor den østlige side af Stillehavspladen glider under det sydamerikanske kontinent.

Der er generelt masser af tektonisk aktivitet, såsom jordskælv eller vulkaner, ved pladegrænser. Det har en tendens til at være mere synligt, når kanten af ​​pladen er nær den kontinentale kant, som i det vestlige Nordamerika. Tænk Californien.

Passivt eller aktivt rygsystem

I dette tilfælde, imidlertid, forskerne ville finde ud af, hvad der skete med den ultralavspredende højderyg. Var strukturerne under højderyggen dannet passivt af delvis smeltende sten, der "boblede" op, da de nordamerikanske og eurasiske plader flyttede fra hinanden?

Eller er der et skub nedefra, hvor overtryk i kappen skaber et dynamisk system, der aktivt skubber delvist smeltet sten op fra dybet?

"Normalt når vi tænker på plader, der bevæger sig fra hinanden, de skaber et mellemrum mellem dem, og magma stiger op. Så hvis du laver et billede af dette, det normale at tænke er, at det ser godt og symmetrisk ud, " han sagde.

Imidlertid, da forskerne så på de billeder, de havde, de indså, at den litosfæriske plade på den østlige side af højderyggen var meget tykkere og koldere end på den vestlige side af højderyggen.

This matters because geologists have traditionally believed that asymmetric thickness along mid-ocean ridges means there must be a dynamic system and that overpressure pushes magma up from the deep mantle.

I dette tilfælde, imidlertid, the researchers realized that there was a much simpler explanation for why the eastern side of the ridge was thicker and deformed:the eastern side of the ridge is the edge of the Eurasian plate, which is slowly moving southwards. I modsætning, the North American plate is moving nearly west.

Asymmetric plate movement helps explain the pattern

In short, "the asymmetry below the ridges doesn't have to be a sign of push from below, " he said. "Maybe it is simpler than that. Maybe when you have asymmetric structures below the ridge, it's because you have asymmetric plate movement at the surface."

That could mean no push from below at the Mohns Ridge, but that the movements of the plates themselves are making the patterns the researchers see, han sagde. It's also another piece of information that will help researchers to better understand how the Earth's tectonic plates behave.

Johansen came to academia after a career working at Equinor, the Norwegian energy company, and with EMGS, the company that has developed the electromagnetic imaging technique the researchers used in their findings.

"People ask me why I do this, " he said, he said of his shift to academia. "It's because of the excitement of discovery that is a part of basic research."