En ny måde at se på Jordens indre

Nuværende forståelse er, at den kemiske sammensætning af Jordens kappe er relativt homogen. Men eksperimenter udført af ETH -forskere viser nu, at denne opfattelse er for enkel. Deres resultater løser et centralt problem inden for geovidenskaben - og rejser nogle nye spørgsmål.

Der er steder, som altid vil være uden for vores rækkevidde. Jordens indre er en af ​​dem. Men vi har måder at få en forståelse af denne ukendte verden på. Seismiske bølger, for eksempel, tillade os at sætte vigtige begrænsninger om vores planets struktur og de fysiske egenskaber af de materialer, der er gemt dybt inde i den. Så er der de vulkanske bjergarter, der dukker nogle steder op på Jordens overflade indefra og giver vigtige spor om kappens kemiske sammensætning. Og endelig er der laboratorieforsøg, der kan simulere forholdene i Jordens indre i lille skala.

En ny publikation af Motohiko Murakami, professor i eksperimentel mineralfysik, og hans team blev for nylig omtalt i journalen PNAS og viser, hvor oplysende sådanne eksperimenter kan være. Forskernes fund tyder på, at mange geovidenskabsmænds forståelse af Jordens indre kan være for forenklet.

Dramatisk forandring

Under jordskorpen, som kun er få kilometer tyk, ligger dens kappe. Også lavet af sten, dette omgiver planetens kerne, som begynder omkring 2, 900 kilometer under os. Takket være seismiske signaler, vi ved, at der sker en dramatisk ændring i kappen i en dybde på omkring 660 kilometer:det er her, den øvre kappe møder den nederste kappe, og klippens mekaniske egenskaber begynder at variere, derfor ændres udbredelseshastigheden af ​​seismiske bølger dramatisk ved denne grænse.

Det, der er uklart, er, om dette blot er en fysisk grænse, eller om den kemiske sammensætning af bjergarten også ændrer sig på dette tidspunkt. Mange geovidenskabsmænd antager, at jordens kappe som helhed er sammensat relativt konsekvent af magnesiumrig sten, som igen har en sammensætning, der ligner den af ​​peridotitsten, der findes på jordens overflade. Disse udsendinger fra den øvre kappe, der ankommer til Jordens overflade ved hjælp af begivenheder som vulkanudbrud, udviser et magnesium-silicium-forhold på ~1,3.

"Formodningen om, at sammensætningen af ​​Jordens kappe er mere eller mindre homogen, er baseret på en relativt simpel hypotese, Murakami forklarer. "Nemlig at de kraftige konvektionsstrømme i kappen, som også driver bevægelsen af ​​de tektoniske plader på jordens overflade, blander det hele tiden. Men det er muligt, at denne opfattelse er for enkel. "

Hvor er siliconen?

Der er virkelig en grundlæggende fejl i denne hypotese. Det er generelt enigt om, at Jorden blev dannet for omkring 4,5 milliarder år siden ved tilførsel af meteoritter, der opstod fra den oprindelige soltåge, og som sådan har den samme overordnede sammensætning af disse meteoritter. Jordens differentiering til kerne, kappe og skorpe skete som en del af et andet trin.

Ser man bort fra jern og nikkel, som nu er en del af planetens kerne, det bliver tydeligt, at kappen faktisk skal indeholde mere silicium end peridotitstenen. Baseret på disse beregninger, kappen skal have et magnesium-silicium-forhold tættere på ~1 i stedet for ~1,3.

Dette får geovidenskabsfolk til at stille følgende spørgsmål:hvor er det manglende silicium? Og der er et åbenlyst svar:Jordens kappe indeholder så lidt silicium, fordi det er i Jordens kerne. Men Murakami når en anden konklusion, nemlig at silicium er i den nedre kappe. Dette ville betyde, at sammensætningen af ​​den nedre kappe adskiller sig fra den i den øvre kappe.

Svingende hypotese

Murakamis hypotese tager et par vendinger:Først, vi ved allerede præcist, hvor hurtigt seismiske bølger bevæger sig gennem kappen. Sekund, laboratorieforsøg viser, at den nederste kappe hovedsageligt består af det kiselholdige mineral bridgmanit og det magnesiumrige mineral ferropericlase. Tredje, vi ved, at hastigheden af ​​de seismiske bølger afhænger af elasticiteten af ​​de mineraler, der udgør bjergarten. Så hvis de elastiske egenskaber af de to mineraler er kendt, det er muligt at beregne proportionerne for hvert mineral, der kræves for at korrelere med den observerede hastighed for de seismiske bølger. Det er så muligt at udlede, hvad den kemiske sammensætning af den nederste kappe skal være.

Mens de elastiske egenskaber ved ferropericlase er kendt, de af bridgmanite er endnu ikke. Dette skyldes, at dette minerals elasticitet i høj grad afhænger af dets kemiske sammensætning; mere specifikt, det varierer alt efter, hvor meget jern bridgmanitten indeholder.

Tidskrævende målinger

I sit laboratorium, Murakami og hans team har nu udført højtrykstest på dette mineral og eksperimenteret med forskellige sammensætninger. Forskerne begyndte med at klemme en lille prøve mellem to diamantspidser og bruge en speciel enhed til at presse dem sammen. Dette udsatte prøven for ekstremt højt tryk, svarende til den, der findes i den nederste kappe.

Forskerne rettede derefter en laserstråle mod prøven og målte bølgespektret af lyset spredt på den anden side. Ved at bruge forskydningerne i bølgespektret, de var i stand til at bestemme mineralets elasticitet ved forskellige tryk. "Det tog meget lang tid at færdiggøre målingerne, "Murakami rapporterer." Da jo mere jern -bridgmanit indeholder, desto mindre gennemtrængelig for lys bliver det, vi havde brug for op til femten dage til at gennemføre hver enkelt måling."

Silicium opdaget

Murakami brugte derefter måleværdierne til at modellere den sammensætning, der bedst korrelerer med spredningen af ​​seismiske bølger. Resultaterne bekræfter hans teori om, at sammensætningen af ​​den nedre kappe adskiller sig fra den i den øvre kappe. "Vi vurderer, at bridgmanit udgør 88 til 93 procent af den nedre kappe, " Murakami siger, "hvilket giver denne region et magnesium-silicium-forhold på ca. 1,1." Murakamis hypotese løser mysteriet om det manglende silicium.

Men hans fund rejser nye spørgsmål. Vi ved for eksempel, at inden for visse subduktionszoner, Jordens skorpe bliver skubbet dybt ind i kappen - nogle gange endda så langt som til grænsen til kernen. Det betyder, at de øvre og nedre kapper faktisk ikke er hermetisk adskilte enheder. Hvordan de to områder interagerer, og præcis hvordan dynamikken i Jordens indre arbejder for at producere kemisk forskellige områder af kappen, er endnu uvist.