FoodPro Preloader

Jordens mantel under havene


Når man ser på en verden, kan man lett forestille seg kontinenter og hav som evige, uforanderlige aspekter av jordens overflate. Geofysikere vet nå at utseendet av permanenthet er en illusjon forårsaket av korthet i menneskets levetid. Over millioner av år flytter blokker av jordens stive ytre lag, litosfæren, divergerer ved mid-ocean-ryggene, glir rundt langs feil og kolliderer ved margene av noen av havene. Diss

Når man ser på en verden, kan man lett forestille seg kontinenter og hav som evige, uforanderlige aspekter av jordens overflate. Geofysikere vet nå at utseendet av permanenthet er en illusjon forårsaket av korthet i menneskets levetid. Over millioner av år flytter blokker av jordens stive ytre lag, litosfæren, divergerer ved mid-ocean-ryggene, glir rundt langs feil og kolliderer ved margene av noen av havene. Disse bevegelsene forårsaker kontinental drift og bestemmer den globale fordeling av jordskjelv, vulkaner og fjellkjeder.

Selv om teorien om plate-tektonikk er veletablert, fortsetter motoren som driver bevegelsen til litosfæriske platene å tåle enkel analyse fordi den er så helt skjult for visning. For å møte denne vanskeligheten har jeg og andre etterforskere fokusert vår forskning på mid-ocean ryggene. Ryggene er store, slående steder hvor havbunnen ripper fra hverandre. Undersøkelse av sammensetning, topografisk og seismisk struktur av områdene langs mid-ocean ryggene gir resultater som ofte går i strid med konvensjonelle forventninger. Mer komplisert og fascinerende enn noen hadde forventet, dikterer de kjemiske og termiske prosessene i mantelen under mid-ocean ryggene hvordan ny havskorps dannes. Mantelaktivitet kan også føre til at øyer kommer opp i midten av havene og dype grøfter til å danne ved kantene. Faktisk kan disse prosessene være så sterke at de kanskje til og med subtilt påvirker rotasjonen av planeten.

Tanken om at jorden inneholder et dynamisk interiør kan faktisk ha sine røtter i det 17. århundre. I sin 1644-avtale, filosofiske prinsipper, skrev den store franske filosofen Ren Descartes at jorda hadde en sentral kjernen laget av et varmt, primordialt, solaktig væske omgitt av et solidt, ugjennomsiktig lag. Sukkende konsentriske lag av stein, metall, vann og luft gjorde opp resten av planeten.

Geofysikere abonnerer fortsatt på forestillingen om en lagdelt jord. I dagens syn har jord en solid indre kjerne og en smeltet ytre kjerne. Begge består av jernrike legeringer og har temperaturer som overstiger 5000 grader Celsius og trykker godt over en million ganger trykket på overflaten. Jordens sammensetning endres brått rundt 2.900 kilometer under overflaten, hvor kjernen gir vei til en mantel som er mye mindre tett enn kjernen og laget av faste magnesium-jernsilikatmineraler. En annen signifikant diskontinuitet, som ligger 670 kilometer under overflaten, markerer grensen mellom øvre og nedre mantel (gitterstrukturen på mantelmineralene endres over den grensen på grunn av det forskjellige trykket). En ytterligere større overgang, kjent som Mohorovicic-diskontinuiteten, eller Moho, skiller den tette kappen fra lysere skorpe over den. Moho ligger 30-50 kilometer under overflaten av kontinentene og mindre enn 10 kilometer under havbunnen i havbassengene. Litosfæren, som omfatter skorpe og overdel av mantelen, oppfører seg som en mosaikk av stive plater som ligger over en hetere, mer bøyelig nederste del av mantelen som kalles asthenosfæren.

Gjør rygger fra mantelen
DENNE BESTEMTE, lagdelte strukturen kan tyde på at jordens interiør er statisk. Tvert imot er den dype jorden ganske dynamisk. Termisk energi igjen fra jordens formasjon, forsterket av energi frigjort gjennom det radioaktive forfallet av elementer som kalium 40, uran og thorium, krummer materialet i jorden. Varmen beveger seg over jordens indre grenser og setter i gang store konveksjonsstrømmer som bærer varme områder oppover og kaldt nedover. Disse prosessene fører til slutt mange av de store geologiske fenomenene på overflaten, inkludert fjellbygging, vulkanisme, jordskjelv og bevegelser av kontinenter.

Blant de regionene som gir den beste tilgangen til jordens interiør, er mid-ocean ryggene. Disse ryggene dissekerer alle de store havene, som svinger rundt om i verden som sømmer på en tennisball, til sammen mer enn 60.000 kilometer. Mid-Atlantic Ridge er en del av det globale ridge systemet. Et stort nord-sør arr i havbunnen, danner det som den østlige og vestlige delen av Atlanterhavet beveger seg fra hverandre med en hastighet på en til to centimeter per år. I tillegg til de hyppige jordskjelvene som finner sted der, sprer toppmøtet på Midt-Atlanterhavsposen ut varm magma under hyppige vulkanske utbrudd. Magmaen avkjøles og størkner, og danner dermed ny havskors. Åsen er høyere enn resten av Atlanterhavsbassenget. På gradvis lengre avstander fra åsen dyper havflaten med hensyn til havnivå, antagelig fordi de litosfæriske platene som beveger seg bort fra åsen kontrakten som de gradvis avkjøles med alderen.

Magmaen som stiger ved Midt-Atlanterhavs Ridge oppstår tydeligvis i det øvre kappe. Dens sammensetning varierer imidlertid betydelig fra det av mantelen. Magma som avkjøler seg ved sjøen rygger danner en vanlig slags stein kjent som basalt. Men forskere har funnet ut at seismiske bølger beveger seg gjennom øvre mantel med en hastighet på mer enn åtte kilometer per sekund, langt raskere enn de ville passere gjennom basalt.

Et materiale som muligens muliggjør en så høy lydhastighet er en type tett, mørkegrønn rock som kalles peridotitt. Peridotitt består hovedsakelig av tre silisiumbaserte mineraler: olivin, et tett silikatholdig magnesium og jern; ortofyroksen, et lignende men mindre tett mineral; og clinopyroxene, som inneholder litt aluminium og er mer enn 20 prosent kalsium. Peridotitter har også små mengder spinel, et oksid av krom, aluminium, magnesium og jern.

Hvordan kan basaltisk magma bli produsert fra et mantel laget av peridotitt? For mer enn 30 år siden eksponerte petrologer som Alfred E. Ringwood og David H. Green fra Australian National University eksponerte prøver av peridotitt til forhøyede temperaturer (1200 til 1300 grader C) og høytrykk (mer enn 10 000 atmosfærer). Disse verdiene dupliserer temperaturen og trykket som eksisterer i den suboceaniske øvre mantelen omtrent 100 kilometer under havbunnen. Denne undersøkelsen viste at gradvis dekompresjon av peridotitt ved de høye temperaturene smelter opp til 25 prosent av fjellet. Smelten hadde en basaltisk sammensetning som ligner den av mid-ocean Ridge basalts.

Disse forsøkene støtter oppfattelsen om at varmt, peridotittisk mantelmateriale stiger under mid-ocean ryggene fra dybder som overstiger 100 kilometer under havbunnen. Når materialet beveger seg oppover, dekomprimeres mantelperidittet og smelter delvis. Den smeltede delen tar på seg sammensetningen av en basaltisk magma, stiger raskt mot overflaten og adskiller seg fra peridotitten som ikke smelter. En del av smelten bryter ut på sjøbunnen langs toppen av midten av havet, hvor den avkjøler og størkner og legger til åsen. Resten avkjøles og størkner sakte under overflaten, noe som gir opphav til ny havskors. Tykkelsen av havskorpen er avhengig av mengden smelte som ekstraheres fra mantelen.

Rygkammerets dybde under havnivå markerer et likevektsnivå bestemt av temperaturen og den opprinnelige sammensetningen av den øvre kappe oppover under ryggen. Hvis temperaturen og komposisjonen på mantelen var konstant langs høyden, ville toppen av åsen være på samme dybde under havnivået langs hele lengden.

I den virkelige verden er slik konsistens usannsynlig. Små variasjoner i manteltemperaturen eller sammensetningen langs åsen ville føre til at toppmøtet skulle avgjøre seg ved varierende høyder. Regioner av suboceanisk mantel hvor temperaturen er høyere har lavere tetthet. I tillegg ville et varmere mantel smelte mer og produsere en tykkere basaltskorpen. Som et resultat vil høyden toppe det være høyere.

Toppmøtet på Midt-Atlanterhavs Ridge viser bare slike variasjoner i dybden under havnivå. For eksempel ligger langs åsen mellom ca 35 og 45 grader nordlig bredde et område med unormalt høy topografi. Jordbølgende satellitter har i samme region oppdaget en oppoverbøyning i nivået av geoidet (likevektsnivået på jordens overflate, omtrent lik gjennomsnittlig havnivå).

Forskere generelt tilskriver denne svulmen til påvirkning av et såkalt hot spot sentrert på Azorene øyegruppen. Hot spots er soner som har høy topografi og overflødig vulkanisme. De tolkes generelt som overflateuttrykket av en "mantle plume" - det vil si en stigende kolonne med uvanlig varmt mantelmateriale. De fleste oceaniske øyer, inkludert Hawaii-øyene og Island, antas å være overflateuttrykk av mantelplumes. Kilden til varmen antas å ligge i grenseområdene dypt inne i jorden, like dypt som kjerne-mantelgrensen [se "Kjernemantelgrensen" på side 36).

Mineraler tilbyr bevis
MY COLLEAGUES og jeg satte meg for å teste disse ideene ved å undersøke hvordan topografien langs Midt-Atlanten rygg knytter seg til temperaturen, strukturen og sammensetningen av den underliggende mantelen. En måte å samle inn slik informasjon er å undersøke hastighetene til seismiske bølger som går gjennom mantelen under åsen. En annen tilnærming innebærer å lete etter lokale variasjoner i kjemi av basalter som brøt ut langs åsen av åsen. Disse variasjonene kan brukes til å utlede omfanget av smelting og den fysiske naturen til kappe fra hvilken de er avledet.

Vi fulgte en tredje tilnærming ved å forsøke å samle steinprøver av mantelperidotitt. Peridotitt blir igjen som en solid gjenstand etter at basalt-magma-komponenten smelter ut av de øvre mantelsteinene. Mantel stein ligger vanligvis begravet under flere kilometer havskorps, men i noen tilfeller er blokker av øvre kappe peridotitt tilgjengelige. De er typisk eksponert hvor aksen til mid-ocean-åsen er feil eller hvor den er forskjøvet lateralt ved å transformere feil; Disse bergarter kan samples ved boring eller mudring eller henting direkte gjennom bruk av en nedsenkbar.

For å analysere mantelmineralene i atlantiske peridotittprøver brukte vi en elektronmikroprobe. Dette instrumentet fokuserer en stråle av elektroner bare noen få mikrometer i diameter på et stykke stein. Som svar gir mineralet røntgenstråler med karakteristiske bølgelengder. En analyse av bølgelengdene og intensiteten av disse røntgenstrålene gjør det mulig å bestemme mineralens kjemiske sammensetning. I samarbeid med Nobumichi Shimizu fra Woods Hole Oceanographic Institution og Luisa Ottolini fra Det italienske Forskningsrådet i Pavia, brukte vi også et annet instrument - en ion mikroprobe - for å bestemme konsentrasjonen av sporstoffer som titan, zirkonium og sjeldne jordarter elementer. Ion-sonden fokuserer en stråle av ioner på en prøve, som fjerner andre ioner i prøven for måling. Metoden gjorde det mulig for oss å bestemme konsentrasjonene av sporstoffer ned til noen få deler per million.

Slike analyser avslører mye om forholdene i mantelen der prøven steiner dannet, fordi temperaturene og trykket der produserer forskjellige sammensetninger i peridotittene. Petrologer, inkludert Green og A. Lynton Jaques of Geoscience Australia, har vist at delvis smelting modifiserer de relative overflodene av de opprinnelige mineralene i peridotitten. Noen mineraler, som klinopyroxen, smelter lettere enn andre og dermed reduseres i overflod under smeltingen. Videre endrer partiell smelteprosessen sammensetningen av de opprinnelige mineralene: visse elementer i dem, som aluminium og jern, har en tendens til å følge smelten. Konsentrasjonen i mineralene minker ettersom smelteprosessen fortsetter. Andre elementer, som magnesium og krom, har en tendens til å ligge bak, slik at den faste resten blir beriket med dem. Således, som et resultat av partiell smelting, blir olivin mer magnesiumrike og jern-fattige; forholdet mellom krom og aluminium i spinel øker; og så videre.

Sammensetningen av disse mineralene, kalibrert av laboratorieeksperimenter, tillater oss å estimere graden av smelting som mantelperidotittene gjennomgår under oppstigningen under ryggen. Våre data viste at det finnes betydelige regionale variasjoner i mantelens sammensetning. For eksempel er forholdet mellom krom og aluminium av orthopyroxen og spinel størst i peridotitter, samplet fra et bredt område mellom ca 35 grader og 45 grader nordlig breddegrad. Forholdet antyder at gjennomsnittlig grad av smelting av det øvre kappe som ligger under denne regionen kan nå så høyt som 15 prosent. I de fleste deler smelter ca. 10-12% av mantelen under turen oppover. Dette området av over gjennomsnittlig smelting tilsvarer Azorene hot spot-regionen, utlåns troverdighet til teorien om at hot spots skyldes uvanlig varme mantelplumes oppvekst dypt inne i Jorden. Andre funn støtter denne ideen, inkludert arbeid av Emily M. Klein, sammen med Charles H. Langmuir fra Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory, som selvstendig undersøkte kjemi av basalts langs Mid-Atlantic Ridge.

Et hot spot synes å være årsaken til så mye smelting. Faktisk, ut fra at temperaturen alene forårsaker smeltingen i Azorene-hotspot-regionen, beregnede vi at hot-spot-mantelen måtte være mer enn 100 grader C varmere enn mantelen fra andre steder under åsen.

Er det en måte å teste gyldigheten av dette temperaturestimatet på og dens underliggende forutsetninger? En rekke geotermometre har blitt foreslått. De er basert på observasjonen at visse mineralpar som sameksisterer i likevekt i mantelen, gjennomgår temperaturavhengige kjemiske reaksjoner. For eksempel reagerer orthopyroxen og clinopyroxen i en mantelperidotitt med hverandre til de når en likevektssammensetning som avhenger av temperaturen. Laboratorieforsøk har kalibrert det forholdet. Dermed kan bestemmelsen av sammensetningen av det sameksisterende mineralparet indikere temperaturen ved hvilken parets medlemmer nådde likevekt.

Jeg brukte to geotermometre, en utviklet av Donald H. Lindsley fra Stony Brook University og den andre av Peter RA Wells fra Oxford University, til Mid-Atlantic Ridge peridotites. Resultatene var overraskende. De viste ikke høyere temperaturer i hot spot-området; Om noe gir regionen temperaturer som er litt lavere.

Et mantel spikte med vann
Hvorfor fant vi ikke høyere manteltemperaturer for en region som viser høy smelting? En mulighet er at overkappen har en sammensetning som gjør at den smelter lettere. Vann kan være hovedfaktoren. Eksperimenter av Peter J. Wyllie fra California Institute of Technology og Ikuo Kushiro fra University of Tokyo og Carnegie Institution of Washington, blant annet, viste at spor av vann og andre flyktige elementer i peridotitt drastisk reduserer smeltetemperaturen. Derfor, hvis en slik "våt" mantel oppvokst under en strøk av mid-ocean ridge, ville det begynne å smelte dypere i jorden enn normalt, "tørt" mantel ville. Da peridotitt nådde overflaten, ville det ha vært en grad av smelte som var betydelig større enn den for tørr mantel under lignende temperaturer [ se boks på motsatt side ].

Er det noen bevis på at det øvre kappe under Azorernes hot spot-område er våtere enn mantelen andre steder under Mid-Atlantic Ridge? Faktisk er det. Jean-Guy E. Schilling og hans medarbeidere ved University of Rhode Island rapporterte at basalter fra segmentet av hot spot som ligger mellom 35 og 45 grader nordlig bredde, inneholder tre til fire ganger mer vann enn gjør normale mid-ocean Ridge basalts, samt høyere konsentrasjoner av flere kjemiske elementer (for det meste lette sjeldne jordarter). Den anomaløst høye konsentrasjonen av disse elementene innebærer at overordnet mantel i hot-spot-området har en beriket tilførsel av disse elementene.

Det ser derfor ut til at mantelen under Azorene-punktet skiller seg fra den vanlige mid-atlantiske ryggmantelen, ikke så mye ved å være varmere enn ved å ha innarbeidet vann og andre væsker som endret sin kjemiske sammensetning og smeltegang. Denne kjemiske transformasjonen av mantelperidotitt med væsker kalles metasomatisme. Det ville forklare hvorfor vått mantel nær overflaten ville ha opplevd mer smelting enn vanlig mantel ville. Det kan også forklare hvorfor likevektstemperaturene som er estimert fra peridotitter på Azorene, ikke er høyere enn gjennomsnittet. Smeltereaksjoner forbruker varme, slik at partiell smelting av oppvellende mantel faktisk kan ha avkjølt det omkringliggende mantel. Jo høyere grad av smelting, jo større varmetap.

Så Azorene-punktet kan ikke knyttes til en termisk plume som kommer fra dypmantelen eller kjerne-mantelgrensen. I stedet kan det være en smeltende anomali av relativt overfladisk opprinnelse i mantelen. Disse hetene kan ikke være veldig varme og kan best klassifiseres som "våte flekker" på grunn av nøkkelrollen som væsker kan spille i formasjonen.

Hvor kommer vannet som produserer mantelmetasomatisme fra? En mulig kilde til dette vannet er de synkende platene av gammel oceanisk litosfære i subduksjonssoner ved havets kant. Denne prosessen resirkulerer vann i mantelen. Vann kan også frigjøres i det øvre kappe under avgassingsprosesser av dypmantelen. I tillegg kan vannmolekyler lagres i selve strukturen av mantelmineraler.

Tenk på mineral perovskitt, et silikat av magnesium og jern som utgjør hovedkomponenten i den nedre mantelen, og er derfor det rikeste mineral på jorden. Perovskite kan inneholde vann i konsentrasjoner opp til 1 prosent. En lavtrykksform av perovskitt, kalt wadsleyite, hersker i sone av mantelen i en dybde på mellom 660 og 450 kilometer og kan inneholde vann opp til konsentrasjoner på ca. 1, 5 prosent. Å summere opp alle disse vannmolekylene, vi kan spekulere på at den totale mengden vann i jordens mantel kan være lik flere havs. Mye av dette vannet er trolig primordialt, fanget i jordens mantel på tidspunktet for dets dannelse over fire milliarder år siden. Tilstedeværelsen av vannmolekyler dispergert i mantelmineraler har viktige konsekvenser. For eksempel reduserer det betydelig mantelviskositeten, som letter konvektive bevegelser som forårsaker bevegelsen av litosfæriske plater og driving av kontinenter.

Ujevn mantel vipper jordens akse
VÅRE STUDIER AV MANTLE PERIDOTITES fra Mid-Atlantic Ridge antyder at enkelte områder med kjøligere manteltemperaturer kan representere returstrømmene til konveksjons-syklusen i mantelen - det vil si nedoverliggende områder. For å forstå denne oppfatningen må vi se sør for Azorene, til ekvatorialsonen der Midtatlantiske Ridge ligger dypere enn åsen ved høyere breddegrader. Mineralsammensetningen av peridotitter gjenvunnet fra ekvatorialatlanten indikerer at de gjennomgikk liten eller ingen smelting, hvilket innebærer at manteltemperaturen var svært lav. Schilling og Nadia Sushevskaya fra Vernadsky Institutt for geokjemi i det russiske vitenskapsakademiet nådde lignende konklusjoner etter å ha studert basalter fra ekvatorialatlanten. I tillegg fant Yu-Shen Zhang og Toshiro Tanimoto av Caltech at hastigheten til de seismiske bølgene er raskere i øvre kappe under ekvatorial Mid-Atlantic Ridge enn ved høyere breddegrader. Disse observasjonene innebærer et tettere, kaldere øvre mantel under ekvatorialregionen av Atlanterhavet. Temperaturen på den øvre mantelen kan være opp til 100 grader C lavere enn manteltemperaturen andre steder under ryggen.

En troverdig forklaring på det relativt kule og tette ekvatoriale øvre mantelen er at det kommer fra nedoverliggende mantelstrømmer. Hot mantle plumes oppvelling i det nordlige og sørlige Atlanterhavet mantel kan strømme mot ekvator, gi opp sin varme til sine kjøligere omgivelser og deretter synker.

Ekvatorialposisjonen til det "kalde" atlantiske mantelbelte er kanskje ikke vilkårlig. Det er mulig at Jordens rotasjon og konveksjon i mantelen er nært forbundne fenomener. På slutten av 1800-tallet påpekte George Darwin (den andre sønn av Charles) at fordelingen av store masser på overflaten (som kontinenter) påvirker posisjonen til jordens rotasjonsakse. Flere forskere siden da har undersøkt hvordan tetthet inhomogeniteter i mantelen forårsaker sanne polarvandring (det vil si skifting av jordens rotasjonsakse i forhold til mantelen). Vandringen skyldes den naturlige tendensen til et spinnende objekt for å minimere energien som brukes til rotasjonen.

Omfordeling av masse i jorden kan registreres i mantelen. Den sene H. William Menard og LeRoy M. Dorman fra Scripps Institution of Oceanography foreslo at dybden av mid-ocean ryggene generelt er avhengig av breddegrad: ryggene blir dypere mot ekvator og grunne mot polene. Dessuten viste tyngdekraftsmålinger at et overskudd av masse sitter under ekvatorielle områder, i det minste i Atlanterhavet. Disse dataene tyder på at unormalt kalde og tette masser finnes i ekvatorial øvre mantel.

Sinkningen av kalde, tette plater i mantelen kan påvirke ekte polarvandring. Tette masser som finner veien til mantelen, som for eksempel de som forekommer i subduksjonssoner ved kanten av noen hav, vil påvirke rotasjonsaksenes posisjon. Ekvatoren vil ha en tendens til å skifte mot de tette massene. Hvis høy tetthetsmasser har en tendens til å konsentrere seg nær ekvator, er det mest sannsynlig at downwelling og kjøligere mantelpunkter vil seire i ekvatorial øvre mantel, og forklarer i det minste kvalitativt det kalde øvre mantelbelte og dermed mangel på normal smelting i ekvatorialsonen av Atlanterhavet .

Dykking for havdata
Et firkant-THAN-NORMAL ekvatorisk mantel når Atlanteren først åpnet, ville innebære en kaldere og tykkere kontinentale litosfære langs ekvatorialbeltet. (Ekvatoren for 100 millioner år siden krysset fremtidens Atlanterhavskysten i Afrika og Sør-Amerika omtrent i samme posisjon som den gjør i dag.) Den kalde og tykke ekvatoriale litosfæren må ha motstått spredningen som forplantes fra både sør og nord. Ekvatorialregionen kan ha oppført seg som en "låst sone" (i den forstand som brukes av fransk geolog Vincent E. Courtillot). Som et resultat åpnet ekvatorialatlanten tregt. Denne sakte, vanskelige åpningen kan ha skapt de store ekvatoriale bruddzonene, synlig i dag som øst-vestspor som kompenserer korte segmenter av mid-ocean Ridge.

Nå som vi vet at dagens manteloppovering under mid-ocean ryggene er heterogent når det gjelder temperatur og sammensetning, er det neste spørsmålet: Hvordan endrer mantellens egenskaper under et bestemt segment av åsen over tid? Denne informasjonen vil opplyse oss om et viktig tema, nemlig hvordan havbassengene utvikler seg. Men forskningen for å oppnå de nødvendige dataene ville kreve prøvetaking av eldre, oceaniske litosfærer på forskjellige avstander fra aksen til mid-ocean ridge. Og dessverre er den eldre litosfæren vanligvis begravet dypt under sedimenter.

Vi følte at vi kunne ha mulighet til å nå gammelt litosfærisk materiale i det sentrale Atlanterhavet i nærheten av Vema Transform Fault. Denne feilen forstyrrer toppen av Mid-Atlantic Ridge ved 320 kilometer, kutting av en dyp dal gjennom havskorpen. Det ser ut til at en lang flod av havbunn har vært oppløftet på den sørlige siden av transformasjonen, og vi håpet at denne oppløste sjøbunnen ville utsette en uberørt del av litosfæren.

For å teste denne hypotesen arrangerte vi i 1989 en ekspedisjon sammen med Jean-Marie Auzende fra den franske oceanografiske institusjonen Ifremer. Vi planla å gå ned til sjøbunnen - mer enn fem kilometer ned - i undersøkelsen Nautile. De fleste av våre kolleger så på vår oppgave med skepsis: Utbredt oppfatning holdt fast at den normale sekvensen av øvre mantel og skorpe er fullstendig forstyrret i nærheten av en transformasjonsfeil.

Likevel presset vi på. Vi startet en serie dykk som startet på bunnen av delen og flyttet oppover bakken. Hvert dykk varet ca 12 timer, hvorav omtrent halvparten ble brukt ned til havbunnen og tilbake til overflaten. Nautilens trange kvartaler, en titanmasse på en meter og 80 centimeter i diameter, kan ta imot to piloter og en forsker, som ligger ansiktet ned for reisens varighet.

På vårt første dykk verifiserte vi at delen av delen består av mantelperidotitt med en tykkelse på omtrent en kilometer. På den andre dagen oppdaget vi et lag av gabbros - bergarter som danner under havbunnen når basaltmelt smelter seg sakte - hviler over peridotitten. Ifølge allment aksepterte geofysiske modeller er gabbros hovedkomponenten i den nedre delen av havskorpen. Så i å gå oppover fra mantelperidotitter til crustal gabbros, hadde vi krysset Moho-diskontinuiteten.

Neste dag tok jeg Nautile på et dykk som startet fra det nivået som ble nådd av nedsenkbar forrige dag. Da jeg gikk langs skråningen, skummet havbunnen, avslørte en spektakulær steinformasjon som heter et dike-kompleks, seg selv. Teorien innebærer at dike komplekser dannes hvor varmt smeltet materiale, generert ved partiell smelting av mantelen, spruter oppover mot havbunnen gjennom mange smale sprekker i skorpen. Aldri før hadde det blitt observert et dike kompleks på havbunnen.

Dike-komplekset, omtrent en kilometer tykt, ble toppet av et lag av pute basalt, formet tatt av basalt magma når det avkjøles og størkner raskt ved utbrudd til havbunnen. I løpet av de neste flere dagene, utforsket vi en annen seksjon og bekreftet våre tidligere funn. Vi var ganske begeistret fordi ingen hadde noen gang observert en komplett og relativt uforstyrret del av oceanisk øvre mantel og skorpe. Vi dokumenterte umiddelbart vår oppdagelse i et kort papir som vi sendte til Nature så snart vi dokket noen uker senere.

Oppmuntret av resultatene fra Nautile- dykkene, gjennomførte vi to andre ekspedisjoner og oppdaget at Vema-litosfæreseksjonen er eksponert på havbunnen i mer enn 300 kilometer. Etter kartlegging av magnetiske anomalier produsert av havbunnen, kunne vi estimere hastigheten som litosfæren beveger seg bort fra åsen aksen. Vi oppdaget således at Vema-delen avslører litosfæren skapt gradvis på aksen til Midt-Atlanten, i et tidsintervall på mer enn 20 millioner år - en unik mulighet til å studere hvordan skapelsen av litosfæren varierer over tid!

Under dykkene hadde vi brukt Nautile ' s mekaniske arm til å ta en rekke prøver av mantelperidotitt. Vi samplet senere av mudding mantle peridotites med tette intervaller langs foten av delen i litosfæren av økende alder. Fra mineralsammensetningen av disse bergarter, estimerte vi variasjonene i graden av smelting de hadde gjennomgått over tid under oppstigningen under Mid-Atlantic Ridge. Samtidig kunne vi anslå hvordan skorpenes tykkelse varierte gjennom tid, takket være gravimetriske data oppnådd fra både skip og satellittmålinger av tyngdefeltet som ble produsert av bergarter under havbunnen. Krustall tykkelse avhenger av mengden smelte generert av mantel som stiger under ryggen.

Resultatene var ganske uventede. Graden av smelting av mantelen og krusttykkelsen ser ut til å ha økt jevnt fra 20 millioner år siden til i dag. Små oscillasjoner ligger overfor denne generelle trenden. Den enkleste tolkningen av disse resultatene: Mid-Atlantic Ridge blir stadig jevnere over tid.

Overraskende er at økningen av temperaturen på den oppvoklende mantelen er ledsaget av en reduksjon i spredningshastigheten av den litosfæriske plate som genereres ved åsenes akse. Dette resultatet står i motsetning til begrepet "passiv" oppvekst av mantelen som svar på den divergerende bevegelsen av litosfæriske plater - et konsept som vil kreve proporsjonalitet mellom spredningsfrekvens og grad av smelting av stigende mantel.

Vi var også i stand til å estimere hastigheten på det faste mantelet som stiger under ryggen, viktig informasjon for å raffinere våre modeller på dannelsen av havskorpen. Hastigheten på den stigende mantelen avhenger av dens temperatur og sammensetning (både påvirkningstetthet og viskositet) og på diameteren av stigende kolonne og er relatert til hastigheten av den litosfæriske spredning som avviker fra åsen akse.

Hvordan kan vi estimere hastigheten på den stigende faste mantelen? Den stigende mantelen genererer smelte innenfor et dybdeintervall som kan estimeres fra eksperimenter og teoretiske hensyn. Smeltefraksjonen stiger raskt, avkjøles og størkner som basalt i skorpen, mens dens overordnede mantel fortsetter å stige sakte.

Når "foreldre" mantelperidotiten når litosfæren og begynner å bevege seg horisontalt med platen vekk fra åsen, har basalten den generert flyttet lenger vekk fra åsen. Den horisontale avstanden mellom pakken av basaltskorpen og dens overordnede mantel, oversatt som tid, vil tillate oss å anslå hastigheten til den stigende faste mantelen. Etter å ha korrelert de tidsmessige variasjonene av graden av mantelsmelting med variasjonene av krusttykkelsen langs Vema litosfæriske delen, estimerte vi den faste mantelrosen med en gjennomsnittlig hastighet på ca. 25 millimeter per år.

For å finjustere dette estimatet må vi gå tilbake og ta ytterligere prøver av peridotitt fra den eksponerte litosfæriske delen slik at vi kan oppnå en høyere oppløsning i kurven som beskriver tidsmessige variasjoner av graden av smelting av mantelen.

Hvorfor blir Mid-Atlantic Ridge nord for ekvator gradvis varmere? Vi kan bare spekulere. Kanskje en bølge av plume-avledet hot mantle har strømmet sørover mot ekvator siden noen få ti millioner millioner år siden. Vi har hint om at store svingninger i intensiteten av mid-ocean ridge aktivitet skjedde i den fjerne fortiden.

For eksempel antyder studier av Roger Larson ved University of Rhode Island at en mantel "superplume" for rundt 100 millioner år siden forårsaket hevelse av mid-ocean rygger, raskere sjøbredde, stigende havnivå og oppvarming av klimaet som et resultat av større mengder karbondioksid, metan og andre drivhusgasser frigjort fra mantelen [se "Mid-Cretaceous Superplume Episode" på side 22).

Mye gjenstår å gjøre før geologer utvikler et komplett bilde av manteldynamikken og dens innflytelse på overflategeologi. Debatt fortsetter med opprinnelsen til mantelkonveksjon og om den strekker seg ned i det nedre mantelet. Faktisk gir symposier som inkluderer teoretikere, geofysikere, geokemister og petrologer alltid oppvarmede diskusjoner og stor forskjell. På et tidspunkt er det enstemmighet: Jordens mantel er veldig levende og er en spennende region å studere.

FORFATTEREN
ENRICO BONATTI har grader i geologi fra universitetet i Pisa og Scuola Normale Superiore i Pisa, Italia. Etter å ha kommet til USA i 1959 tilbrakte han flere år som forsker innen marine geologi ved University of California Scripps Institution of Oceanography og som professor ved University of Miami Rosenstiel Marine Sciences. Siden 1975 har han vært med Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory. Nylig har han lært og forsket i sitt hjemland. Han har ledet eller deltatt i ekspedisjoner i alle de store havene og i noen fjerntliggende, men geologisk spennende land, fra den polare urralregionen i Russland til ørkenøya Zabargad i Rødehavet. Bonatti ønsker å takke Daniele Brunelli, Anna Cipriani og Marco Ligi, som har samarbeidet med ham i sin forskning i løpet av det siste tiåret.

Denne artikkelen ble opprinnelig utgitt med tittelen "Earth's Mantle under Oceans" i SA Special Editions 15, 2s, 64-73 (juli 2005)

Kilde for novel fugleinfluensa utbrud bestilt urentMaterialet forblir: Den evige utfordringen av søppelGolfbane som naturreservat: et sted for tiger og amfibierGiant Waves ødelegger raskt arktiske is og økosystemerGravity Measurements Bekreft Grønlands Glacier Precipitous MeltdownAmerikanske klimatdiplomater får fornyet sjanse til å finne felles jord med allierteFå feilene av genetisk modifiserte avlingerOverflodserfaring øker klimaendring