Seismologi blir spännande när den låter dig bättre förstå den inre strukturen på vår planet, både i rymden och i tiden.
Vi vet från skolböcker att jorden har tre (eller fyra) lager: skorpa, mantel och kärna, ibland uppdelad i inre och yttre. Detta är inte helt sant, eftersom det utesluter några av de andra lager som forskare skiljer i strukturen på vår planet. I en studie publicerad i tidskriften Science rapporterar geofysiker från Princeton University (USA) och Institute of Geodesy and Geophysics in China berg och annan topografi på ett skikt som ligger 660 kilometer djupt och som separerar den övre och nedre manteln.
"Att hitta höjdförändringar på upp till tre kilometer på en gräns på mer än 660 kilometer med vågor som reser genom hela jorden och tillbaka är en inspirerande prestation," sa seismolog Christina Hauser, biträdande professor vid Tokyo Institute of Technology, Japan, som inte var inblandad i studien.
Jordens struktur. Grovheten vid gränsskiktet på ett djup på 660 kilometer visar de antagna underjordiska bergen. Kredit: Bild av Kyle McKernan, Princeton University of Communications Office.
För att titta djupt in i jorden använder forskare de mest kraftfulla vågorna på planeten, som genereras av jordbävningar. Djupa starka jordbävningar kan sätta hela manteln i rörelse, och jordbävningar med en storlek på 7,0 sprider chockvågor genom kärnan till den andra sidan av planeten och tillbaka.
För denna studie vände sig forskare till nyckeldata om vågorna som upptäcktes efter jordbävningen på 8,2 - den näst mest kraftfulla på skivan, som skakade Bolivia 1994.
För att simulera det komplexa beteendet med vågspridning i jordens djup, använde seismologer Princeton University: s Super-datorkluster Tiger. Simuleringstekniken beror på en grundläggande egenskap hos vågor: deras förmåga att ändra riktning och studsa. Precis som ljusvågor kan reflekteras eller brytas när de passerar genom ett prisma, reser seismiska vågor direkt genom homogena stenar, men reflekteras eller brytas vid mediegränsen. Således bär deras spridning information om ytoregulariteter och djupa lager.
”Vi blev mycket förvånade över de resultat som erhölls. Den 660 kilometer långa gränsen har starkare topografi än Rocky Mountains eller Appalachians och är lika komplex som vad vi ser på ytan,”skriver författarna.
Kampanjvideo:
Rocky Mountain view från Rocky Mountain National Park USA. Kredit: Stanislav Savin.
Den statistiska modellen tillät inte att exakt bestämma höjden på bergen som finns i djupen i bergen, men det blev tydligt att oegentligheterna är ojämnt fördelade, precis som ytan på jordskorpan har släta områden på havsbotten och höga berg. Forskarna studerade också ett skikt på ett djup av 410 kilometer, i den övre delen av mantelns "övergångszon", och fann inte en sådan topografisk spridning.
Resultaten visar hur avancerade seismiska instrument har varit för att upptäcka nya och oväntade egenskaper hos jordens lager.
Vad betyder det här
Förekomsten av oegentligheter vid den 660 kilometer långa gränsen är avgörande för att förstå hur vår planet bildades. Det utforskade lagret delar manteln, som utgör cirka 84 procent av jordens volym, i dess övre och nedre delar. I flera år har geologiska forskare diskuterat hur viktig denna gräns är. De undersökte särskilt hur värme rör sig genom manteln.
Vissa geokemiska och mineralogiska bevis tyder på en kemisk skillnad mellan den övre och nedre manteln, vilket stödjer idén att de två sektionerna inte blandas termiskt eller fysiskt. Resultaten tyder emellertid på att jämnare regioner vid 660 km gränsen kan vara ett resultat av noggrann vertikal blandning, medan bergsområden kan ha bildats där blandning inte sker.
Dessutom kan de upptäckta oegentligheter teoretiskt orsakas av termiska avvikelser eller kemiska oegentligheter. Men på grund av omfördelningen av värme i manteln, kommer varje liten termisk anomali att utjämnas under en miljon år, vilket bara lämnar kemiska skillnader.
Så vad kunde ha orsakat den betydande skillnaden i skiktkemi? Forskare säger att orsaken till detta är sjunkningen av stenar som brukade tillhöra jordskorpan. Geofysiker har länge diskuterat ödet för havsbottenplattorna som skar i manteln i subduktionszoner runt om i världen. Forskare spekulerar i att resterna av dessa forntida plattor nu kan vara precis ovanför eller strax under den 660 kilometer långa gränsen.
"Seismologi blir spännande när det gör att vi bättre kan förstå den inre strukturen på vår planet både i rymden och i tiden", avslutar studieförfattarna.
