To viktige artikler fra 2004 ga ny innsikt i Jordas struktur og dynamikk gjennom oppdagelsen av et nytt mineral og sammenhengen mellom store basaltprovinser og strukturer nederst i mantelen.


530x265 fig1Variasjonen i skjærbølgehastigheter i den nederste delen av mantelen. Rødt indikerer lav hastighet, og blå indikerer høy hastighet. Under Afrika og Stillehavet finnes det to store lavhastighetsområder. Figur: Modifisert fra Trønnes og Torsvik, 2011.

For ti år siden, 7. mai 2004, publiserte tidsskriftet Science en artikkel som viser at mineralet Mg-perovskitt går over til et nytt mineral, post-perovskitt, nederst i Jordas mantel.

Oppdagelsen av faseovergangen til post-perovskitt gjorde det mulig å forklare mesteparten av de tidligere gåtefulle seismologiske observasjonene.

Mg-perovskitt og post-perovskitt
Vanlig peridotitt, som er hovedbergarten i Jordas mantel, inneholder ca. 75% Mg-perovskitt eller post-perovskitt ved trykk som svarer til den nedre mantelen mellom 660 og 2890 km dyp.


Fordi krystallstrukturen til post-perovskitt har lav uorden (entropi), går mineralet tilbake til Mg-perovskitt ved de høyeste temperaturene nær kjernegrensen.


Laget som inneholder post-perovskitt er dermed også tykkest i områder der den nederste mantelen er kaldest.

Dette gjennombruddet førte til en kraftig revitalisering av seismologisk og høytrykksmineralogisk forskning. Samtidig er det gjort viktige paleogeografiske og geokjemiske observasjoner som kobler dagens varmetransport og bevegelser i den nederste delen av mantelen (D"-sonen) med Jordens tidlige utvikling.

Artikkelen i Science har blitt sitert mer enn 800 ganger i andre tidsskriftartikler i løpet av tiårsperioden.

Høy- og lavhastighetsområder nederst i mantelen

Figur 1 (over) viser et «verdenskart» over D"-sonen. Fargene indikerer hvor raskt skjærbølger kan bevege seg gjennom bergartene. Under Afrika og Stillehavet har vi to områder med lav hastighet (markert i rødt), og i blått/grått er det markert områder med høyere skjærbølgehastighet.

Beltet med de høye hastighetene representerer kald og synkende mantel i områder som har hatt mye subduksjon av Jordplater i de siste 300 millioner år. Her er også post-perovskitt mest utbredt.

Lavhastighetsområdene består sannsynligvis av tunge, jernrike og varme bergarter. Post-perovskitt opptrer i utgangspunktet ikke der temperaturen er høy, men kan unntaksvis gjøre det ved høyt jerninnhold.

530x522 fig2Omtrentlig ekvatorsnitt ved Jorda som viser de to lavhastighetsområdene og strømningsmønsteret i mantelen. Mørkegrønne jordplater indikerer jordskorpe, og lysegrønne jordplater indikerer havbunnskorpe. Figur: Modifisert fra Trønnes og Torsvik, 2011

Lavhastighetsområdene kontrollerer termisk oppdrift og store basaltprovinser

Det andre viktige 2004-gjennombruddet for kunnskapen om Jordas indre dynamikk kom i en artikkel av Burke og Torsvik i tidsskriftet Earth and Planetary Science Letters. De gjorde paleogeografiske rekonstruksjoner av utbruddsstedene til 25 store basaltprovinser med ulike aldre opp til 200 millioner år.

Det viste seg at provinsene med få unntak lå nær overflateprojeksjonene av yttergrensene til de to store lavhastighetsområdene (slik de fremstår i dag).

I påfølgende artikler har forskergruppen til professor Trond Torsvik, som i dag leder Senter for Jordens utvikling og dynamikk (CEED), dokumentert og nyansert dette sammenfallende mønsteret.

Lavhastighetsområdene har vært stabile i minst 300 millioner år, og yttergrensene er gunstige for utvikling og fokusering av oppdrift av varmt, lett material.

Dette har blant annet lagt grunnlaget for dannelsen av basaltprovinser på overflaten, som har opptrådd med gjennomsnittsintervaller på ca. 10 millioner år.

Et oppdriftshode som har banet seg vei gjennom mantelen og dannet en stor basaltprovins vil vanligvis etterlate seg en varm "hale", eller søylestrøm, ned til D"-sonen. Når jordplatene beveger seg horisontalt på overflaten vil slike søylestrømmer resultere i rekker av eldre vulkansentre bort fra dagens aktive senter (se figur 3 under).

Det mest kjente eksempelet på et slikt søylestrømspor er vulkan- og sjøfjellkjeden som strekker seg i nordvestlig retning fra de aktive vulkanene på hovedøya Hawaii via de øvrige Hawaii-øyene og Hawaii- og Emperor-sjøfjellene mot Aleutene og Kamchatka der Stillehavsplaten synker ned i mantelen.

530x360 fig3Verdenskart som viser noen av de største søylestrømsenterene (røde sirkler) med tilhørende søylestrømspor over havbunnskorpen. Det mest kjente eksempelet på et slikt søylestrømspor er vulkan- og sjøfjellkjeden som strekker seg i nordvestlig retning fra de aktive vulkanene på hovedøya Hawaii.

Kontinentenes bevegelser og Jordas utvikling

Opprinnelsen og alderen til lavhastighetsområdene nederst i mantelen er et høyt prioritert forskningsfelt ved CEED.

Dersom vi kan finne sikre tegn på at lavhastighetsområdene er gamle og har vært stabile i tidsperioder som overstiger de siste 300 millioner år, kan grensene for lavhastighetsområdene kanskje representere en paleogeografisk referanse-mønster.

Vi kan bruke dette til å rekonstruere kontinentenes og jordplatenes plasseringer og bevegelser bakover i tid og dermed øke kunnskapen om Jordas utvikling.

Denne innsikten gir grunnlag for å tolke overflatemiljøet med endringer i hav, atmosfære, klimatiske forhold og organisk liv og dannelsen av de ulike mineralressursene.

Les utfyllende artikkel på Naturhistorisk Museum sine nettsider


Referanser
Trønnes R.G. (2008) En kunnskapsrevolusjon for Jordas indre bevegelser.
http://folk.uio.no/rtronnes/Publ-pop-sci/Jorda-Indre/DypJord.pdf

Trønnes R.G. (2009) Apollo - et geovitenskapelig gjennombrudd
www.forskning.no/artikler/2009/juli/225478

Trønnes R.G. (2010) Et klarere bilde av Jordas indre struktur og dynamikk
www.forskning.no/artikler/2010/januar/239069

Trønnes R.G. og Torsvik T.H. (2011) Jordas struktur, mineralogi og dynamikk. Naturen 6-2011, 260-268.
http://folk.uio.no/rtronnes/Publ-pop-sci/Jorda-Indre/Nat11-Tr-Jordas-indre.pdf

Trønnes, R.G.(2014) Jubileum for ny innsikt i Jordas dynamikk
http://folk.uio.no/rtronnes/Publ-pop-sci/Jorda-Indre/FoNo14-Tr-jubileum.pdf

Trønnes, R.G.(2014) Ten-year anniversaries: New insights in deep mantle structure
and dynamics
http://folk.uio.no/rtronnes/Publ-pop-sci/Jorda-Indre/Anniv-DeepEarth14.pdf