Även om vi inte kan se det i aktion, Jorden sprider ständigt nytt land. Detta sker vid subduktionszoner, där tektoniska plattor krossar varandra och i processen plöjer upp kedjor av vulkaner som magma kan stiga upp genom. En del av denna magma spyr inte ut, men istället blandar och morphs precis under ytan. Den kristalliserar sedan som ny kontinental skorpa, i form av en bergskedja.

Forskare har trott att jordens bergskedjor bildas genom denna process under många miljoner år. Men MIT-geologer har nu funnit att planeten kan generera nytt land mycket snabbare än man tidigare trott.

I en artikel publicerad i tidskriften Geologi , teamet visar att delar av bergskedjan Sierra Nevada i Kalifornien reste sig förvånansvärt snabbt, under en period på bara 1,39 miljoner år – mer än dubbelt så snabbt som förväntat för regionen. Forskarna tillskriver den snabba bildningen av land till en massiv uppblossning av magma.

"Det riktigt spännande med våra fynd är, med ny geokronologi med hög precision, vi kunde datera hur snabbt den skorpanbyggande processen hände, och vi visade att denna stora volym ny skorpa anlades i en extremt snabb takt, " säger studiens huvudförfattare Benjamin Klein Ph.D. '19, som utförde forskningen som doktorand vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap (EAPS). "Det var typ ett ögonblick. Det var lite över 1 miljon år, men i geologisk tid, det var supersnabbt."

Kleins medförfattare är docent Oliver Jagoutz och forskaren Jahandar Ramezani, båda i EAPS.

Ett komplett tvärsnitt

Bergskedjan Sierra Nevada är en produkt av kollisionen mellan två tektoniska plattor:den västerutgående nordamerikanska plattan och vad som vid den tiden var Farallon-plattan, som sakta malde under den nordamerikanska plattan, så småningom glider helt in i jordens mantel.

För cirka 100 miljoner år sedan, när båda plattorna kolliderade, de skapade först en kedja av vulkaner, då en höga bergskedja som idag är Sierra Nevada.

"Vad är idag USA:s västkust såg förmodligen ut, då, som Anderna idag, med höga höjder och en kedja av stora vulkaner, " säger Klein.

För sina studier, forskarna koncentrerade sig på ett geologiskt särdrag i Sierra Nevada som kallas en påträngande svit – en stor volym sten som ursprungligen bildades djupt i jordens inre. När den väl har kristalliserats, klipporna bildar en ny, vertikal kolumn av kontinental skorpa.

De fokuserade särskilt på Bear Valley Intrusive Suite, en unik formation genom att den representerar resterna av ny kontinental skorpa som idag är exponerad på ytan, som en 40 mil lång sträcka av granit. Dessa stenar, som idag ligger horisontellt längs bergskedjan, ursprungligen bildad som en vertikal kolumn. Över tid, detta torn av ny kontinental skorpa eroderades, sträcker sig och lutar till sin nuvarande horisontella konfiguration.

"Bear Valley Intrusive Suite ger oss ett komplett tvärsnitt av hur dessa magma VVS-system som ligger bakom stora vulkaner såg ut, där vi normalt skulle ha en begränsad ögonblicksbild, ", säger Klein. "Det gör att vi kan tänka mycket mer fullständigt om hur snabbt ny skorpa byggdes."

En hastighetsbegränsning för ny skorpa

Teamet samlade stenprover över en region i Sierra Nevada Batholith och tog dem tillbaka till MIT för att analysera deras sammansättning. De kunde bestämma åldern på nio prover, använder uran-bly geokronologi, en dejtingteknik med hög precision som pionjärer av den avlidne MIT-professorn emeritus Sam Bowring. Från varje prov, forskarna isolerade enskilda korn av zirkon, ett vanligt mineral i bergarter som innehåller uran och lite bly, förhållandet mellan vilka forskare kan mäta för att få en uppskattning av bergartens ålder.

Från deras analyser, Klein och hans kollegor upptäckte att åldern för alla nio prover sträckte sig över ett förvånansvärt kort intervall, på bara 1,39 miljoner år. Teamet beräknade en uppskattning av mängden magma som måste ha kristalliserat för att bilda den nya skorpan som proverna representerar. De fann att cirka 250 kubikkilometer magma troligen steg upp från jordens inre och förvandlades till ny skorpa - på bara 1,39 miljoner år.

"Det är ungefär två och en halv gånger snabbare än tidigare uppskattningar för skorpbildning i Sierras, vilket är en ganska stor skillnad, ", säger Klein. "Det ger oss en högsta hastighetsgräns för hur snabbt dessa saker faktiskt kan hända."

Klein säger att med tanke på hastigheten på denna nya skorpa, den troliga orsaken var en magmauppblossning, eller plötsligt utbrott av magmatisk aktivitet.

"Hela batholiten konstruerades på nästan 200 miljoner år, men vi vet under den tidsperioden, det fanns perioder då det var mycket aktivt och perioder som var lugnare, med mindre nytt material lagt till, " säger Klein. "Vad vi kunde visa på det här området var att åtminstone lokalt, hastigheten med vilken magma fördes in är mycket snabbare än de genomsnittliga hastigheterna som har dokumenterats i Sierras."

Geologer har trott att magma uppstår som ett resultat av ovanlig aktivitet i jorden, såsom tektoniska plattor som plötsligt kolliderar i snabbare takt. Enligt allt som forskare har dokumenterat om Bear Valley Intrusive Suite, dock, ingen sådan aktivitet inträffade vid den tidpunkt då bergskedjan bildades.

"Det finns ingen uppenbar trigger, " säger Klein. "Systemet rullar på i stort sett, och så ser vi denna stora utbrott av magma. Så detta utmanar några grundläggande föreställningar inom området, och bör informera hur folk tänker på hur snabbt dessa saker kan hända idag, på platser som Anderna eller vulkanerna i Japan."