Mantelens egenskaper i forbindelse med belastning har vært diskutert blant forskere i nesten 80 år. Det er fremdeles ingen enighet blant forskerne om hva mantelens viskositet er.
Figur 1. Snitt gjennom jorda fra overflaten til kjernen. Overgangen mellom øvre og nedre mantel er på 660 kilometers dyp. Illustrasjon: Wikipedia
Studier av landhevningen etter siste istid i Skandinavia er en av de beste måter en har til bestemmelse av egenskaper ved mantel og litosfære.
Skandinavia er da også blitt et klassisk område for studier av jordas respons på belastning. Dessverre har ikke konklusjonene vært entydige.
Landhevningen kan si oss en hel del både om litosfærens bøyningsfasthet (motstand mot bøyning) og mantelens viskositet (seighet).
Litosfæren vil bøye seg som en elastisk plate ved belastning. Hvilken motstand den har mot bøyning, er selvsagt avhengig av dens tykkelse og stivhet.
Ulike forskere har kommet til noe forskjellig estimat av dens tykkelse og stivhet. Som et mål for dette brukes begrepet »effektiv elastisk tykkelse».
Enkelte mener at litosfæren har en effektiv elastisk tykkelse på mer enn 100 kilometer, andre at den er mindre enn 30 kilometer.
Mantelen strekker seg fra bunnen av litosfæren og inn til jordas kjerne. Se lenkene under for mer informasjon:
Isostasi – en viktig geologisk prosess
Istidene og glasial isostasi
Uenighet fra første stund
De første studiene av mantelens egenskaper kom i 1935, i to publikasjoner med motstridende konklusjoner. Den ene (Haskell) fant at mantelen har uniform viskositet på ca 1021 Pa*s.
Den andre (van Bemmelen and Berlage) fant at hevningen sentralt i Fennoskandia (Finland og Skandinavia) kan forklares med viskøs strømning i en kanal (med viskositet 1,3×1020 Pa*s) mellom litosfæren og en stiv nedre mantel.
|
Viskositet Viskositet er et mål på et materials eller en væskes evne til å flyte (høy viskositet = tyktflytende).
SI-enheten for viskositet er pascalsekund (Pa*s). Viskositeten for vann er ca. 0,001 Pa*s, mens viskositeten for smeltet glass er 10 – 1 000 Pa*s. Lava kan ha en viskositet på 100 – 1012 Pa*s. |
Heller ikke i dag er det enighet blant forskere om mantelens viskositet. Mange av dagens forskere finner, basert på landhevningsstudier i Skandinavia, at det er store forskjeller på viskositeten i øvre og nedre mantel (overgangen på 660 kilometer dyp).
Vi har sett litt nærmere på noen nyere studier; tabellen nedenfor viser deres foretrukne mantelviskositet. Disse resultatene er basert på studier av landhevningen i Skandinavia; noen basert på dagens landhevning, andre basert på havnivåendringer som har foregått etter at isen begynte å smelte.
Vi (Cathles, Fjeldskaar) har derimot funnet at observert landhevning i Skandinavia best kan forklares ved en mantel med uniform viskositet, bortsett fra en lavviskøs astenosfære øverst (heretter kalt «astenosfæremodellen»). Astenosfæren har antakelig så mye som en faktor på 100 lavere viskositet i forhold til resten av mantelen.
Tabell 1. Ulike viskositetsmodeller for mantelen, basert på studier av landhevningen i Skandinavia. Viskositet i astenosfære, øvre og nedre mantel har enhet 1021 Pa*s
Relaksasjonstiden
Litosfæren ”flyter” på den viskøse astenosfæren/mantelen, slik at den isostatiske responsen vil foregå over en viss tid. I tillegg til mantelens viskositet, vil litosfærens tykkelse (stivhet) også påvirke hastigheten på den isostatiske responsen.
Et mål for hastigheten er relaksasjonstiden, det vil si tiden det tar for en eksponensielt avtagende funksjon å avta til 1/e (ca. 37 prosent) av opprinnelig størrelse. Figur 2 lenger ned viser hvordan relaksasjonstiden er for de ulike modeller av mantelens viskositet.
LES OGSÅ: Har landhevingen skapt en «forebulge»?
De heltrukne linjene viser relaksasjonstiden beregnet med tynn litosfære. Vi ser av figur 2 at relaksasjonstiden i de ulike modellene varierer betydelig. De som finner at det er stor variasjon mellom viskositeten i øvre og nedre mantel, hevder også at litosfæren er svært tykk (stiv), mellom 70 og 160 kilometer tykk.
Hvis vi tar hensyn til dette, vil relaksasjonstiden reduseres betraktelig. Vi ser at denne reduksjonen er merkbar for bølgelengder som er mindre enn 2 000 kilometer. Relaksasjonstiden for eksempel for bølgelengder på 300 – 400 kilometer vil bli redusert med en faktor på 10, fra 10 000 år nesten ned til 1 000 år.
Med litosfærens påvirkning, ser vi at kurvene (med unntak av Auriac-modellen) ikke er så ulike. Spørsmålet er hvilken av kurvene som er mest realistisk.
Har vi noen mulighet til å avgjøre dette? Jo, det er gjort uavhengige studier av relaksasjonstiden som kan være til hjelp.
McConnell (1968) transformerte strandlinjedata for sentrale deler av Skandinavia (langs et profil fra Ångermanland i Sverige til Izhora i Russland) til relaksasjonsspektra (relaksasjonstid som funksjon av bølgelengde). McConnells resultater er senere oppdatert gjennom et arbeid av Mitrovica og Peltier (1993).
Figur 2. Relaksasjons-spektra (med usikkerhet) for sentrale Skandinavia (skravert med blå farge; ifølge McConnell, 1968). Kurvene viser beregnet relaksasjonstid basert på de ulike viskositets-modellene i tabell 1; heltrukne linjer for tynn litosfære (~30 kilometer) og stiplede linjer for tykk litosfære (~100 kilometer)
Dette er resultater som kan brukes til å vurdere de ulike viskositetsmodellene i tabell 1. Skravert blått felt i figur 2 viser resultatene av McConnells beregnede relaksasjonsspektra fra analyse av strandlinjene i sentrale deler av Skandinavia.
Vi ser at de ulike modellene for mantelviskositet (i tabell 1) gir mer eller mindre god match med McConnells relaksasjonsspektra.
Unntaket er modellen til Auriac (basert på Peltiers og UiTs ismodeller), men heller ikke Kierulf-modellen gir god match med relaksasjonsspektrene til McConnell, med et avvik på nesten 2 000 år i relaksasjonstid for bølgelengder over 1 000 kilometer.
Steffen-modellen og «astenosfæremodellen» er de som gir best overensstemmelse med relaksasjonspektrene, men også Peltier-modellen gir rimelig bra match med relaksasjonsspektrene.
Nordman m. fl. (2015; National Land Survey of Finland, University of Ottowa) konkluderte med at viskositetsverdier i øvre mantel på 0,3–1×1021 Pa*s og 1–90×1021 Pa*s i nedre mantel (med litosfæretykkelse på 71 – 120 kilometer) kan forklare landhevningen i Ångermanland.
Basert på figur 2 kan vi se at enkelte av disse viskositetsverdiene kan ligge innenfor relaksasjonsspektrene til McConnell.
LES OGSÅ: Astenosfæren og landhevningen
To ulike modeller gir match
Da kan vi konkludere med at relaksasjonsspektrene kan matches med to ganske forskjellige viskositetsmodeller – den ene med forholdsvis lav viskositet i øvre mantel og betydelig høyere viskositet i nedre mantel (Steffen- og Peltier-modellene), og den andre med en lavviskøs astenosfære over en mantel med uniform viskositet (astenosfæremodellen).
Den første type modell forutsetter tykk litosfære; den andre tynn litosfære.
Begge typer viskositetsmodeller passer like godt med McConnells relaksasjonsspektre for sentrale deler av Skandinavia. Men bare én av disse typene kan være riktig.
Enten er det forskjellig viskositet i øvre og nedre mantel, eller så er det ikke tilfellet. Enten er det slik at det er en lavviskøs astenosfære, eller så er det ikke slik.
Er det sånn at landhevningen ikke kan fortelle oss hva viskositeten i mantelen virkelig er? Må vi bare slå oss til ro med at vi ikke finner ut av det?
Referanser
Auriac, A., Whitehouse, P.L., Bentley, M.J., Patton, H., Lloyd, J.M. & A. Hubbard, 2016. Glacial isostatic adjustment associated with the Barents Sea ice sheet: A modelling inter-comparison, Quaternary Science Reviews, http://dx.doi.org/10.1016/j.quascirev.2016.02.011
Cathles, L. & W. Fjeldskaar, 1996. Comment on ‘The inference of mantle viscosity from an inversion of the Fennoscandian relaxation spectrum’ by J. X. Mitrovica and W. R. Peltier, Geophys. J. Int., 127, 489-492
Fjeldskaar, W., Lindholm, C., Dehls, J.F. & I. Fjeldskaar, 2000. Post-glacial uplift, neotectonics and seismicity in Fennoscandia. Quaternary Science Reviews 19, 1413-1422.
Kierulf, H.P., Steffen,H., Simpson, M.J.R, Lidberg, M., Wu, P. & H. Wang, 2014. A GPS velocity field for Fennoscandia and a consistent comparison to glacial isostatic adjustment models, J. Geophys. Res. Solid Earth, 119, 6613–6629,doi:10.1002/2013JB010889.
McConnell, R.K., 1968. Viscosity of the mantle from relaxation spectra of isostatic adjustment. J. Geophys. Res. 73, 7089-7105.
Mitrovica, J.X. & W.R. Peltier, 1993. The inference of mantle viscosity from an inversion of the Fennoscandian relaxation spectrum, Geophys. J. lnt., 114, 45-62.
Mitrovica, J.X., 1997. Reply to comment by L. Cathles og W. Fjeldskaar, 1997. on ‘The inference of mantle viscosity from an inversion of the Fennoscandian relaxation spectrum’. Geophys. J. Int. 128, 493-498.
Nordman, M., Milne, G. & L. Tarasov, 2015. Reappraisal of the Ångerman River decay time estimate and its application to determine uncertainty in Earth viscosity structure. Geophys. J. Int. 201, 811–822, doi: 10.1093/gji/ggv051.
Peltier, W. R., Argus, D.F. & R. Drummond, 2015. Space geodesy constrains ice age terminal deglaciation: The global ICE-6G_C (VM5a) model, J. Geophys. Res. Solid Earth, 120, 450–487, doi:10.1002/2014JB011176.
Steffen, H. & P. Wu, 2011. Glacial isostatic adjustment in Fennoscandia – a review of data and modeling. J. Geodyn., 52 (3-4), 169-204, doi:10.1016/j.jog.2011.03.002.
