När en jordbävning inträffar, närliggande seismometrar fångar upp dess vibrationer i form av seismiska vågor. Förutom att avslöja epicentret av ett skalv, seismiska vågor kan ge forskare ett sätt att kartlägga jordens inre strukturer, ungefär som en datortomografi avbildar kroppen.

Genom att mäta hastigheten med vilken seismiska vågor färdas på olika djup, forskare kan bestämma vilka typer av stenar och andra material som ligger under jordens yta. Noggrannheten hos sådana seismiska kartor beror på forskarnas förståelse för hur olika material påverkar seismiska vågors hastigheter.

Nu har forskare vid MIT och Australian National University funnit att seismiska vågor i huvudsak är blinda för ett mycket vanligt ämne som finns i hela jordens inre:vatten.

Deras resultat, publiceras idag i tidskriften Natur , gå emot ett allmänt antagande att seismisk avbildning kan fånga upp tecken på vatten djupt inne i jordens övre mantel. Faktiskt, teamet fann att även spårmängder vatten inte har någon effekt på hastigheten med vilken seismiska vågor rör sig.

Resultaten kan hjälpa forskare att omtolka seismiska kartor över jordens inre. Till exempel, på platser som midocean åsar, magma från djupet av jorden bryter ut genom massiva sprickor i havsbotten, sprider sig bort från åsen och stelnar så småningom som en ny oceanisk skorpa.

Processen att smälta tiotals kilometer under ytan tar bort små mängder vatten som finns i stenar på större djup. Forskare har trott att seismiska bilder visade denna "våt-torra" övergång, motsvarande övergången från stela tektoniska plattor till deformerbar mantel under. Dock, teamets resultat tyder på att seismisk avbildning kan plocka upp tecken på att inte vatten, men hellre, smälta - små fickor av smält sten.

"Om vi ​​ser mycket starka variationer [i seismiska hastigheter], det är mer troligt att de kommer att smälta, säger Ulrich Faul, en forskare vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärisk, och planetvetenskap. "Vatten, baserat på dessa experiment, är inte längre en stor aktör i den meningen. Detta kommer att förändra hur vi tolkar bilder av jordens inre."

Fauls medförfattare är huvudförfattaren Christopher Cline, tillsammans med Emmanuel David, Andrew Berry, och Ian Jackson, från Australian National University.

En seismisk twist

Fel, Cline, och deras kollegor började ursprungligen avgöra exakt hur vatten påverkar seismiska våghastigheter. De antog, som de flesta forskare har, att seismisk avbildning kan "se" vatten, i form av hydroxylgrupper inom enskilda mineralkorn i bergarter, och som fickor i molekylär skala av vatten instängda mellan dessa korn. Vatten, även i små mängder, har varit känt för att försvaga stenar djupt i jordens inre.

"Det var känt att vatten har en stark effekt i mycket små mängder på egenskaperna hos stenar, " säger Faul. "Därifrån, slutsatsen var att vatten också påverkar seismiska våghastigheter avsevärt."

För att mäta i vilken utsträckning vatten påverkar seismiska våghastigheter, teamet tog fram olika prover av olivin - ett mineral som utgör majoriteten av jordens övre mantel och bestämmer dess egenskaper. De fångade olika mängder vatten i varje prov, och placerade sedan proverna ett i taget i en maskin konstruerad för att långsamt vrida en sten, liknar att vrida ett gummiband. Experimenten gjordes i en ugn vid höga tryck och temperaturer, för att simulera förhållanden djupt inne i jorden.

"Vi vrider provet i ena änden och mäter storleken och tidsfördröjningen av den resulterande spänningen i den andra änden, " säger Faul. "Detta simulerar utbredning av seismiska vågor genom jorden. Storleken på denna stam liknar bredden på ett tunt människohår - inte särskilt lätt att mäta vid ett tryck på 2, 000 gånger atmosfärstrycket och en temperatur som närmar sig stålets smälttemperatur."

Teamet förväntade sig att hitta en korrelation mellan mängden vatten i ett givet prov och hastigheten med vilken seismiska vågor skulle fortplanta sig genom det provet. När de första proverna inte visade det förväntade beteendet, forskarna ändrade sammansättningen och mätte igen, men de fick hela tiden samma negativa resultat. Så småningom blev det ofrånkomligt att den ursprungliga hypotesen var felaktig.

"Från våra [vridande] mätningar, stenarna betedde sig som om de vore torra, även om vi tydligt kunde analysera vattnet där inne, " säger Faul. "Vid den punkten, vi visste att vatten inte gör någon skillnad."

En sten, innesluten

Ett annat oväntat resultat av experimenten var att den seismiska våghastigheten verkade bero på en stens oxidationstillstånd. Alla stenar på jorden innehåller vissa mängder järn, vid olika oxidationstillstånd, precis som metalliskt järn på en bil kan rosta när det utsätts för en viss mängd syre. Forskarna fann, nästan oavsiktligt, att oxidationen av järn i olivin påverkar hur seismiska vågor färdas genom berget.

Cline och Faul kom till denna slutsats efter att ha behövt konfigurera om sin experimentuppställning. För att utföra sina experiment, teamet omsluter vanligtvis varje stenprov i en cylinder gjord av nickel och järn. Dock, vid mätning av varje provs vattenhalt i denna cylinder, de fann att väteatomer i vatten tenderade att fly ut ur berget, genom metallhöljet. För att innehålla väte, de bytte sitt hölje till ett av platina.

Till sin förvåning fann de att den typ av metall som omger proverna påverkade deras seismiska egenskaper. Separata experiment visade att det som faktiskt förändrades var mängden Fe3+ i olivin. Normalt är oxidationstillståndet för järn i olivin 2+. Som det visar sig, närvaron av Fe3+ producerar imperfektioner som påverkar seismiska våghastigheter.

Faul säger att gruppens fynd tyder på att seismiska vågor kan användas för att kartlägga nivåer av oxidation, såsom vid subduktionszoner - områden på jorden där oceaniska plattor sjunker ner i manteln. Baserat på deras resultat, dock, seismisk avbildning kan inte användas för att avbilda fördelningen av vatten i jordens inre. Det som vissa forskare tolkade som vatten kan i själva verket vara smälta - en insikt som kan förändra vår förståelse av hur jorden förskjuter sina tektoniska plattor över tiden.

"En underliggande fråga är vad som smörjer tektoniska plattor på jorden, " säger Faul. "Vårt arbete pekar mot vikten av små mängder smälta vid basen av tektoniska plattor, snarare än en våt mantel under torra plattor. Sammantaget kan dessa resultat hjälpa till att belysa flyktiga cykler mellan det inre och jordens yta."