En illustration av hur det är i ett svart rökarfält. Kredit:NTNU
För första gången någonsin, forskare har kunnat kika djupt in i jordens mantel under en ultralåg mid-ocean ås, där de har kunnat observera mantelsmältning och tillväxt av jordskorpan.
För mer än 100 år sedan, den tyska meteorologen och ivrig ballongföraren Alfred Wegener anmärkte i ett brev till sin blivande fru Elsa Köppen om ett udda mönster han märkte på världskartor.
"Stämmer inte Sydamerikas östkust exakt mot Afrikas västkust, som om de en gång hade fått sällskap? "skrev han enligt uppgift i december 1910." Det här är en idé jag måste förfölja. "
Wegeners insikt ledde så småningom till förståelsen, många decennier och mycket debatt senare, att jorden är gjord av plattor som passar ihop som det spruckna skalet på ett ägg – förutom att skalen, eller tallrikar, flytta runt på ett mer plastiskt lager som kallas astenosfären.
De områden där plattorna rör sig isär, som nere i mitten av Atlanten, är där ny skorpa bildas. Här, smält sten stiger upp, bildar en ås mellan plattorna. Men eftersom dessa åsar i mitten av havet ligger på djupt vatten och avlägsna, de är notoriskt svåra att studera och är dåligt förstådda.
Nu, ett team av norska forskare har använt avancerad elektromagnetisk teknik för att skapa de första bilderna någonsin av en specifik typ av ås i mitten av havet, som ett sätt att lära sig mer om de dynamiska krafterna i jordens mantel under. Deras resultat har precis publicerats i Natur
Alfred Wegener, som först föreslog idén om "kontinental drift, ” som gav upphov till begreppet plattektonik. Bilden visar honom på en expedition till Grönland 1912-13. Kredit:Wikipedia, allmängods
Djup avbildning av det okända
Ståle Emil Johansen, studiens första författare och professor vid Norges teknisk-naturvetenskapliga universitet (NTNU) Institutionen för geovetenskap og petroleum, säger att forskarna bestämde sig för att studera en specifik typ av ås i mitten av havet som kallas en ås med ultralångsam spridning.
Som namnet antyder, det är här plattorna rör sig extremt långsamt isär, mindre än 20 millimeter per år. I kontrast, hastigheter uppmätta på olika delar av Stillahavsplattan visar rörelser på mer än 150 mm per år.
Mer än 30 procent av mitthavsryggarna i världen är åsar som sprider sig ultralångsamt, han sa. Men för allt detta, geologer vet väldigt lite om dem.
"Ingen har någonsin avbildat den här typen av åsar innan de använt moderna elektromagnetiska metoder, och detta är djupare än vi någonsin kunnat föreställa oss, "sa han." De djupa strukturerna är helt enkelt okända. "
Lokis slott under havet
Den ultralångspridande åsen som teamet studerade kallas Mohns Ridge. Den ligger sydväst om Svalbard och öster om Grönlands kust.
Här, havskorpan är mycket tunn och det finns ett framträdande svartrökfält i ett område som kallas Lokis slott. Svarta rökare är ventiler på havsbotten som släpper ut en stadig ström av extremt heta, mineralrikt havsvatten. Svarta rökare är också en utmärkt plats för deponering av djuphavsmineraler.
De stora tektoniska plattorna och deras gränser. Johansen och hans kollegor samlade in data från Mohns Ridge, som ligger söder om Svalbards skärgård och öster om Grönland. Kredit:US Geological Survey
Johansen sa att projektet var inriktat på att utveckla grundläggande information om vilka typer av krafter som driver uppväxt av delvis smälta mantelberg längs åsarna.
"Det är grundforskning, " han sa, "även om det också ger banbrytande insikt i bildandet av svarta rökare och undervattensmetallavlagringar."
Mätning av svaga spänningar över stora avstånd
Forskarna kunde använda en speciell typ av elektromagnetisk bildteknik som kallas kontrollerad källa elektromagnetisk mätningsteknik (CSEM). Tekniken kräver att ett fartyg placerar antenner på havsbotten i ett nät, varefter fartyget släpar en källa av elektromagnetisk energi över nätet på en lång kabel och samlar in information om energin som återvänder från underytan.
Havsbottenantennerna kan också spela in en andra typ av elektromagnetisk signal, en naturligt förekommande elektromagnetisk bakgrundssignal. Tekniken som använder denna energi kallas magnetotellurik (MT). "Laddade partiklar från solen skapar elektriska strömmar när de träffar jordens atmosfär. Du kan också se denna energi när du ser norrsken, " han sa.
Johansen sa att det är fascinerande att denna naturliga signal, som är mycket svag, kan till och med upptäckas överhuvudtaget, eftersom den gör en lång resa från jonosfären djupt in i manteln och tillbaka igen till havsbotten. Men det fungerar, speciellt i kombination med CSEM-teknik.
"Vad vi har gjort för första gången är att kombinera dessa två signaler till en, att skapa ganska spektakulära bilder av dessa djupa strukturer, " han sa.
Den här bilden visar ett tvärsnitt av regionen som undersöktes för studien, med den ultralångsamt spridande åsen i mitten. Pilar i de röda områdena högst upp i sektionen visar cirkulationsmönster för havsvatten genom havsskorpan, som hjälper till att berika vattnet med metaller innan det kommer ut från åsen i en svart rökare. Upphovsman:Johansen et al. Naturen 2019
I detta fall, dock, forskarna ville ta reda på vad som hände under en ås som spred sig ultralångsamt. Formades strukturerna under åsen passivt genom att delvis smältande stenar "bubblade" upp när de nordamerikanska och eurasiska plattorna flyttade isär? Informationen de samlade in – svaga spänningsskillnader som beror på olika elektriska konduktiviteter i stenar under havsbotten – kan översättas till bilder som visar fördelningen under ytan av olika bergarter samt smältor och vätskor.
På en bild, forskarna kunde upptäcka VVS-systemet för djupt cirkulerande havsvatten som bildar mineralfyndigheter vid Lokis slott.
En annan serie bilder de gjorde visar vad som händer där de två plattorna sprids isär, vilket är vad forskarna var mest nyfikna på.
Tekniken fungerade så bra att de kunde skapa bilder ner till 120 km under havsbotten. Deras fynd, de insåg, kan hjälpa till att förklara de kartlagda strukturerna under åsen och även att förstå grundläggande processer som skapar ultralångsamma åsar.
Förstå hur ny skorpa bildas vid åsar i mitten av havet
Även om Wegeners plattektoniska teori har accepterats under de senaste sex decennierna, och de allmänna principerna bakom plattrörelse förstås i allmänhet, det finns fortfarande mycket mer att lära – särskilt när det gäller åsar i mitten av havet.
Vad som är viktigt att förstå är att när tallrikar går isär i en del av jordklotet, plattkanterna möts på en annan del av jordklotet. Det betyder att något måste ge.
Bilden visar transekten som fartyget reste för att samla in data som användes för studien. Upphovsman:Johansen et al. Natur 2019
När två plattor möts skjuts sidan av en tallrik, eller subduktion, under den andra plattan. Detta är vad som händer i Stilla havet, där den östra sidan av Stillahavsplattan glider under den sydamerikanska kontinenten.
Det finns i allmänhet massor av tektonisk aktivitet, som jordbävningar eller vulkaner, vid plattgränser. Det tenderar att vara mer synligt när plattans kant är nära kontinentalkanten, som i västra Nordamerika. Tänk Kalifornien.
Passivt eller aktivt nocksystem
I detta fall, dock, forskarna ville ta reda på vad som hände med den ultralångspridande åsen. Skapades strukturerna nedanför åsen passivt genom att delvis smältande stenar "bubblade" upp när de nordamerikanska och eurasiska plattorna rörde sig isär?
Eller finns det en knuff underifrån, där övertryck i manteln skapar ett dynamiskt system som aktivt trycker upp delvis smält sten från djupet?
"Normally when we think of plates moving apart, they create a space between them and magma rises up. So if you make an image of this, the normal thing to think is that it looks nice and symmetric, " han sa.
Dock, when the scientists looked at the images they had, they realized that the lithospheric plate on the eastern side of the ridge was much thicker and colder than on the western side of the ridge.
The image shows mantle upwelling beneath the ultraslow-spreading Mohns Ridge as imaged using MT and CSEM data. The top of the image shows the seafloor topography, seabed volcanoes and earthquake epicentres. The main panel assigns colours based on resistivity. Researchers know from laboratory experiments what kind of material and temperatures can be associated with different resistivities. The image clearly shows how the lithosphere on the right, or eastern side of the ridge, is much thicker than the lithosphere on the left, or western side of the ridge. Credit:Johansen et al. Nature 2019
This matters because geologists have traditionally believed that asymmetric thickness along mid-ocean ridges means there must be a dynamic system and that overpressure pushes magma up from the deep mantle.
I detta fall, dock, the researchers realized that there was a much simpler explanation for why the eastern side of the ridge was thicker and deformed:the eastern side of the ridge is the edge of the Eurasian plate, which is slowly moving southwards. I kontrast, the North American plate is moving nearly west.
Asymmetric plate movement helps explain the pattern
Kortfattat, "the asymmetry below the ridges doesn't have to be a sign of push from below, " he said. "Maybe it is simpler than that. Maybe when you have asymmetric structures below the ridge, it's because you have asymmetric plate movement at the surface."
That could mean no push from below at the Mohns Ridge, but that the movements of the plates themselves are making the patterns the researchers see, han sa. It's also another piece of information that will help researchers to better understand how the Earth's tectonic plates behave.
Johansen came to academia after a career working at Equinor, the Norwegian energy company, and with EMGS, the company that has developed the electromagnetic imaging technique the researchers used in their findings.
"People ask me why I do this, " han sa, he said of his shift to academia. "It's because of the excitement of discovery that is a part of basic research."
