Nuvarande förståelse är att den kemiska sammansättningen av jordens mantel är relativt homogen. Men experiment utförda av ETH-forskare visar nu att denna uppfattning är för förenklad. Deras resultat löser ett nyckelproblem som geovetenskaperna står inför – och väcker några nya frågor.

Det finns platser som alltid kommer att vara bortom vår räckhåll. Jordens inre är en av dem. Men vi har sätt att få en förståelse för denna okända värld. Seismiska vågor, till exempel, tillåter oss att sätta viktiga begränsningar för vår planets struktur och de fysiska egenskaperna hos de material som är gömda djupt i den. Sedan finns det vulkaniska stenar som dyker upp på vissa ställen på jordens yta djupt inifrån och ger viktiga ledtrådar om mantelens kemiska sammansättning. Och slutligen finns det labbexperiment som kan simulera förhållandena i jordens inre i liten skala.

En ny publikation av Motohiko Murakami, Professor i experimentell mineralfysik, och hans team presenterades nyligen i journalen PNAS och visar hur upplysande sådana experiment kan vara. Forskarnas resultat tyder på att många geovetares förståelse av jordens inre kan vara för förenklad.

Dramatisk förändring

Under jordskorpan, som bara är några kilometer tjock, ligger dess mantel. Även gjord av sten, detta omger planetens kärna, som börjar ungefär 2, 900 kilometer under oss. Tack vare seismiska signaler, vi vet att en dramatisk förändring sker i manteln på ett djup av cirka 660 kilometer:det är här den övre manteln möter den nedre manteln och de mekaniska egenskaperna hos berget börjar skilja sig, det är därför som seismiska vågors utbredningshastighet förändras dramatiskt vid denna gräns.

Det som är oklart är om detta bara är en fysisk gräns eller om bergets kemiska sammansättning också förändras vid denna tidpunkt. Många geoforskare antar att jordens mantel som helhet är sammansatt relativt konsekvent av magnesiumrik sten, som i sin tur har en sammansättning som liknar den hos peridotsten som finns på jordens yta. Dessa sändebud från den övre manteln, som anländer till jordens yta genom händelser som vulkanutbrott, uppvisa ett magnesium-kiselförhållande på ~1,3.

"Antagandet att sammansättningen av jordens mantel är mer eller mindre homogen är baserad på en relativt enkel hypotes, Murakami förklarar. "Nämligen att de kraftfulla konvektionsströmmarna i manteln, som också driver de tektoniska plattornas rörelse på jordens yta, blandar hela tiden igenom det. Men det är möjligt att denna uppfattning är för förenklad."

Var är kislet?

Det finns verkligen ett grundläggande fel i denna hypotes. Det är allmänt överens om att jorden bildades för cirka 4,5 miljarder år sedan genom ansamlingen av meteoriter som växte fram från den ursprungliga solnebulosan, och har som sådan samma totala sammansättning av dessa meteoriter. Jordens differentiering till kärna, mantel och skorpa skedde som en del av ett andra steg.

Om man bortser från järn och nickel, som nu är en del av planetens kärna, det blir uppenbart att manteln egentligen borde innehålla mer kisel än peridotbergarten. Baserat på dessa beräkningar, manteln bör ha ett magnesium-kiselförhållande närmare ~1 snarare än ~1,3.

Detta får geoforskare att ställa följande fråga:var är det kisel som saknas? Och det finns ett uppenbart svar:jordens mantel innehåller så lite kisel eftersom det finns i jordens kärna. Men Murakami når en annan slutsats, nämligen att kislet finns i den nedre manteln. Detta skulle innebära att sammansättningen av den nedre manteln skiljer sig från den för den övre manteln.

Slingrande hypotes

Murakamis hypotes tar några vändningar:Först, vi vet redan exakt hur snabbt seismiska vågor färdas genom manteln. Andra, laboratorieförsök visar att den nedre manteln till största delen är gjord av det kiselhaltiga mineralet bridgmanit och det magnesiumrika mineralet ferroperiklas. Tredje, vi vet att den hastighet de seismiska vågorna rör sig beror på elasticiteten hos de mineraler som utgör berget. Så om de elastiska egenskaperna hos de två mineralerna är kända, det är möjligt att beräkna proportionerna av varje mineral som krävs för att korrelera med de seismiska vågornas observerade hastighet. Det är då möjligt att härleda vad den nedre mantelns kemiska sammansättning måste vara.

Även om de elastiska egenskaperna hos ferroperiklas är kända, de av bridgmanite är ännu inte. Detta beror på att detta minerals elasticitet i hög grad beror på dess kemiska sammansättning; mer specifikt, det varierar beroende på hur mycket järn bridgmaniten innehåller.

Tidskrävande mätningar

I hans labb, Murakami och hans team har nu genomfört högtryckstester på detta mineral och experimenterat med olika sammansättningar. Forskarna började med att klämma fast ett litet exemplar mellan två diamantspetsar och använda en speciell anordning för att pressa ihop dem. Detta utsatte provet för extremt högt tryck, liknande den som finns i den nedre manteln.

Forskarna riktade sedan en laserstråle mot provet och mätte vågspektrumet för ljuset som spreds på andra sidan. Med hjälp av förskjutningarna i vågspektrumet, de kunde bestämma mineralets elasticitet vid olika tryck. "Det tog väldigt lång tid att slutföra mätningarna, Murakami rapporterar. "Eftersom ju mer järnbridgmanit innehåller desto mindre genomsläpplig för ljus blir den, vi behövde upp till femton dagar för att slutföra varje enskild mätning."

Kisel upptäckt

Murakami använde sedan mätvärdena för att modellera den sammansättning som bäst korrelerar med spridningen av seismiska vågor. Resultaten bekräftar hans teori att sammansättningen av den nedre manteln skiljer sig från den för den övre manteln. "Vi uppskattar att bridgmanit utgör 88 till 93 procent av den nedre manteln, " Murakami säger, "vilket ger denna region ett magnesium-kiselförhållande på ungefär 1,1." Murakamis hypotes löser mysteriet med det saknade kiseln.

Men hans upptäckter väcker nya frågor. Vi vet till exempel att inom vissa subduktionszoner, jordskorpan trycks djupt in i manteln – ibland till och med så långt som till gränsen till kärnan. Detta betyder att de övre och nedre manteln faktiskt inte är hermetiskt åtskilda enheter. Hur de två områdena interagerar och exakt hur dynamiken i jordens inre fungerar för att producera kemiskt olika mantelregioner återstår att se.