I en studie som ger ny innebörd åt termen "rock bottom, "seismiska forskare har upptäckt undersidan av en stenig platta av jordens ytskikt, eller litosfären, som har dragits mer än 400 miles under nordöstra Kina av processen med tektonisk subduktion.

Studien, publicerad av ett team av kinesiska och amerikanska forskare i Naturgeovetenskap , ger nyhetsbevis om vad som händer med vattenrika oceaniska tektoniska plattor när de dras genom jordens mantel under kontinenter.

Rice University seismolog Fenglin Niu, en medförfattare, sa att studien ger de första högupplösta seismiska bilderna av de övre och nedre gränserna för en sten, eller litosfärisk, tektonisk platta inom en nyckelregion känd som mantelövergångszonen, som börjar cirka 254 miles (410 kilometer) under jordens yta och sträcker sig till cirka 410 miles (660 kilometer).

"Många studier tyder på att plattan faktiskt deformeras mycket i mantelövergångszonen, att den blir mjuk, så det blir lätt deformerat, " sa Niu. Hur mycket plattan deformeras eller behåller sin form är viktigt för att förklara om och hur den blandas med manteln och vilken typ av kyleffekt den har.

Jordens mantel konvekerar som värme i en ugn. Värme från jordens kärna stiger genom manteln i mitten av haven, där tektoniska plattor bildas. Därifrån, värme strömmar genom manteln, kyler när den rör sig mot kontinenter, där den faller tillbaka mot kärnan för att samla upp mer värme, stiga och slutföra konvektivcirkeln.

Tidigare studier har undersökt gränserna för subduktionsplattor i manteln, men få har tittat djupare än 125 miles (200 kilometer) och ingen med upplösningen i den aktuella studien, som använde mer än 67, 000 mätningar insamlade från 313 regionala seismiska stationer i nordöstra Kina. Det arbetet, som gjordes i samarbete med China Earthquake Administration, leddes av medkorrespondent författare Qi-Fu Chen från den kinesiska vetenskapsakademin.

Forskningen undersöker grundläggande frågor om de processer som format jordens yta under miljarder år. Mantelkonvektion driver rörelserna av jordens tektoniska plattor, styva sammankopplade delar av jordens yta som är i konstant rörelse när de flyter ovanpå astenosfären, det översta mantelskiktet och den mest flytande delen av den inre planeten.

Där tektoniska plattor möts, de knuffar och mal tillsammans, frigör seismisk energi. I extrema fall, detta kan orsaka destruktiva jordbävningar och tsunamier, men de flesta seismiska rörelser är för svaga för att människor ska känna utan instrument. Med hjälp av seismometrar, forskare kan mäta storleken och platsen för seismiska störningar. Och eftersom seismiska vågor ökar snabbare i vissa typer av sten och långsamma i andra, forskare kan använda dem för att skapa bilder av jordens inre, ungefär på samma sätt som en läkare kan använda ultraljud för att avbilda vad som finns i en patient.

Niu, en professor i jorden, miljö- och planetvetenskap vid Rice, har legat i framkanten av seismisk avbildning i mer än två decennier. När han gjorde sin doktorsexamen. utbildning i Japan för mer än 20 år sedan, forskare använde täta nätverk av seismiska stationer för att samla några av de första detaljerade bilderna av de nedsänkta plattans gränser för Stillahavsplattan, samma platta som avbildades i en studie som publicerades denna vecka.

"Japan ligger ungefär där Stillahavsplattan når cirka 100 kilometers djup, " sa Niu. "Det finns mycket vatten i den här plattan, och det producerar mycket partiell smälta. Det producerar bågvulkaner som hjälpte till att skapa Japan. Men, vi diskuterar fortfarande om detta vatten släpps ut helt på det djupet. Det finns allt fler bevis på att en del av vattnet stannar inne i plattan för att gå mycket, mycket djupare."

Nordöstra Kina erbjuder en av de bästa utsiktspunkterna för att undersöka om detta är sant. Regionen är ca 1, 000 kilometer från skyttegraven i Japan där Stillahavsplattan börjar sitt dopp tillbaka in i planetens inre. År 2009, med finansiering från National Science Foundation och andra, Niu och forskare från University of Texas i Austin, Kinas jordbävningsadministration, jordbävningsforskningsinstitutet vid Tokyo University och forskningscentret för förutsägelse av jordbävningar och vulkanutbrott vid Japans Tohoku-universitet började installera bredbandsseismometrar i regionen.

"Vi har 140 stationer där, och naturligtvis ju fler stationer desto bättre för upplösning, " Niu sa. "Den kinesiska vetenskapsakademin satte ytterligare stationer så att de kan få en finare, mer detaljerad bild."

I den nya studien, data från stationerna avslöjade både de övre och nedre gränserna för Stillahavsplattan, nedsänkning i en 25-graders vinkel inom mantelövergångszonen. Placeringen inom denna zon är viktig för studiet av mantelkonvektion eftersom övergångszonen ligger under astenosfären, på djup där ökat tryck gör att specifika mantelmineraler genomgår dramatiska fasförändringar. Dessa faser av mineralen beter sig väldigt olika i seismiska profiler, precis som flytande vatten och fast is beter sig väldigt olika trots att de är gjorda av identiska molekyler. Eftersom fasförändringar i mantelövergångszonen sker vid specifika tryck och temperaturer, geovetare kan använda dem som en termometer för att mäta temperaturen i manteln.

Niu sa att det faktum att både toppen och botten av plattan är synliga är ett bevis på att plattan inte har blandat sig helt med den omgivande manteln. Han sa att värmesignaturer av delvis smälta delar av manteln under plattan också ger indirekta bevis för att plattan transporterade en del av sitt vatten in i övergångszonen.

"Problemet är att förklara hur dessa heta material kan släppas ner i den djupare delen av manteln, " sa Niu. "Det är fortfarande en fråga. Eftersom de är varma, de är flytande."

Den flytkraften borde fungera som en livräddare, trycka uppåt på undersidan av den sjunkande plattan. Niu sa att svaret på denna fråga kan vara att hål har uppstått i den deformerande plattan, låta smältan stiga medan plattan sjunker.

"Om du har ett hål, smältan kommer ut, sa han. Det är därför vi tror att plattan kan gå djupare.

Hål kan också förklara utseendet av vulkaner som Changbaishan på gränsen mellan Kina och Nordkorea.

"Det är 1, 000 kilometer från plattgränsen, " Niu sa. "Vi förstår inte riktigt mekanismen för den här typen av vulkan. Men smälta som stiger upp från hål i plattan kan vara en möjlig förklaring."