Nästan 1, 800 miles under jordens yta, det finns stora udda strukturer som lurar vid basen av manteln, sitter precis ovanför kärnan. Manteln är ett tjockt lager av het, mestadels plaststen som omger kärnan; ovanpå manteln finns det tunna skalet på jordskorpan. På geologiska tidsskalor, manteln beter sig som en trögflytande vätska, med solida element som sjunker och stiger genom dess djup.

De ovan nämnda udda strukturerna, känd som ultralåghastighetszoner (ULVZ), upptäcktes först 1995 av Caltechs Don Helmberger. ULVZ kan studeras genom att mäta hur de förändrar de seismiska vågorna som passerar genom dem. Men att observera är inte nödvändigtvis att förstå. Verkligen, ingen är riktigt säker på vad dessa strukturer är.

ULVZ kallas så för att de avsevärt saktar ner hastigheten för seismiska vågor; till exempel, de saktar ner skjuvvågor (oscillerande seismiska vågor som kan röra sig genom fasta kroppar) med så mycket som 30 procent. ULVZ:er är flera mil tjocka och kan vara hundratals mil över. Flera är utspridda nära jordens kärna ungefär under Stillahavskanten. Andra är samlade under Nordamerika, Europa, och Afrika.

"ULVZ finns så djupt i den inre jorden att de är omöjliga att studera direkt, vilket utgör en stor utmaning när man försöker avgöra exakt vad de är, säger Helmberger, Smits familjeprofessor i geofysik, Emeritus.

Jordforskare vid Caltech säger nu att de inte bara vet vad ULVZ är gjorda av, men var de kommer ifrån. Använda experimentella metoder vid höga tryck, forskarna, ledd av professor i mineralfysik Jennifer Jackson, har funnit att ULVZ består av bitar av ett magnesium/järnoxidmineral som kallas magnesiowüstit som kunde ha fällts ut ur ett magmahav som tros ha funnits vid basen av manteln för miljoner år sedan.

Den andra ledande teorin för ULVZ-bildning hade föreslagit att de består av smält material, en del av det kanske läcker upp från kärnan.

Jackson och hennes kollegor, som rapporterade om sitt arbete i en ny tidning i Journal of Geophysical Research :Solid Earth, hittade bevis som stöder magnesiowüstite-teorin genom att studera mineralets elastiska (eller seismiska) anisotropi; elastisk anisotropi är en variation i hastigheten med vilken seismiska vågor passerar genom ett mineral beroende på deras färdriktning.

Ett särskilt ovanligt kännetecken för regionen där ULVZ existerar - kärn-mantelgränsen (CMB) - är att den är mycket heterogen (olikformig till sin karaktär) såväl som anisotropisk. Som ett resultat, hastigheten med vilken seismiska vågor färdas genom CMB varierar baserat inte bara på det område som vågorna passerar genom utan på den riktning i vilken dessa vågor rör sig. Utbredningsriktningen, faktiskt, kan ändra hastigheten på vågorna med en faktor tre.

"Tidigare, forskare förklarade anisotropin som ett resultat av seismiska vågor som passerar genom ett tätt silikatmaterial. Vad vi föreslår är att i vissa regioner, det beror till stor del på inriktningen av magnesiowüstite inom ULVZ, säger Jackson.

Vid de tryck och temperaturer som upplevs på jordens yta, magnesiowüstite uppvisar liten anisotropi. Dock, Jackson och hennes team fann att mineralet blir starkt anisotropt när det utsätts för tryck som är jämförbara med dem som finns i den nedre manteln.

Jackson och hennes kollegor upptäckte detta genom att placera en enda kristall av magnesiowüstit i en diamantstädcell, som i huvudsak är en liten kammare som ligger mellan två diamanter. När de styva diamanterna komprimeras mot varandra, trycket inuti kammaren stiger. Jackson och hennes kollegor bombarderade sedan provet med röntgen. Röntgenstrålningens interaktion med provet fungerar som en proxy för hur seismiska vågor kommer att färdas genom materialet. Vid ett tryck på 40 gigapascal - motsvarande trycket vid den nedre manteln - var magnesiowüstit betydligt mer anisotropt än seismiska observationer av ULVZ.

För att skapa objekt så stora och starkt anisotropa som ULVZ, endast en liten mängd magnesiowüstitkristaller behöver justeras i en specifik riktning, troligen på grund av påtryckningar från en stark yttre kraft. Detta kan förklaras av en subducerande platta av jordskorpan som tränger sig fram till CMB, säger Jackson. (Subduktion sker vid vissa gränser mellan jordens tektoniska plattor, där en tallrik dyker under en annan, utlöser vulkanism och jordbävningar.)

"Forskare är fortfarande i färd med att upptäcka vad som händer med skorpan när den dras in i manteln, " säger Jackson. "En möjlighet, som vår forskning nu verkar stödja, är att dessa plattor trycker hela vägen ner till gränsen mellan kärnan och manteln och hjälper till att forma ULVZ."

Nästa, Jackson planerar att utforska samspelet mellan subducerande plattor, ULVZ, och deras seismiska signaturer. Att tolka dessa funktioner kommer att hjälpa till att sätta begränsningar på processer som hände tidigt i jordens historia, hon säger.

Studien har titeln "Strongly Anisotropic Magnesiowüstite in Earth's Lower Mantle."