Jubileum for ny innsikt i Jordas dynamikk

To viktige artikler fra 2004 ga ny innsikt i Jordas struktur og dynamikk. Oppdagelsen av et nytt mineral og sammenhengen mellom store basaltprovinser og strukturer nederst i mantelen  har stimulert den interdisiplinære forskningen i fagområdene mineralogi, seismologi og geodynamikk.

Mineralet post-perovskitt

Den 7. mai, 2004 publiserte tidsskriftet Science den første artikkelen som viser at Jordas mest utbredte mineral, Mg-perovskitt, går over til et nytt mineral, post-perovskitt, nederst i Jordas mantel. Det nederste 300-500 km tykke laget i mantelen har store variasjoner i tykkelse og seismiske egenskaper og kalles D"-sonen. Bakgrunnsinformasjon om Jordas dype indre finnes i litteraturreferansene til denne artikkelen (se også http://folk.uio.no/rtronnes/Publ-pop-sci/Jorda-Indre/). Mineralene og bergartene i Jordas dype indre er også kort beskrevet i faktaboksen nedenfor.

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 krystalstrukturen 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.

Den umotiverte og tilfeldige oppdagelsen av post-perovskitt foregikk under eksperimentering med laser-varmete diamantceller ved 2000-2300 °C og 130 GPa (gigapascal, 1 GPa = 10000 bar). Eksperimentene ble utført i verdens kraftigste synkrotronstråleanlegg, SPring-8 i Japan. Synkrotronstråleanlegg produserer fokuserte røntgenstråler som muliggjør observasjon av mineralenes krystallstruktur ved stråleavbøyning fra de enkelte atomene.

Oppdagelsen kom på overtid, siden seismologer allerede i 1983 hadde observert grenseflater som svarer til denne faseovergangen. I 1999 konkluderte seismologene også med at det varierende dypet til den øvre grenseflaten trolig hadde sammenheng med en faseovergang preget av en betydelig reduksjon i entropien. Den temperaturfølsomme faseovergangen kan gi viktig informasjon om temperaturvariasjonene nederst i mantelen og om varmestrømmen fra kjerne til mantel.

Fordi oppdagelsen av post-perovskitt var forutsett, stimulerte den umiddelbart interdisiplinær kommunikasjon og forskning i fagområdene mineralogi, seismologi og geodynamisk modellering. Den første artikkelen i Science (Murakami et al. 2004) har blitt sitert mer enn 800 ganger i andre tidsskriftartikler i løpet av tiårsperioden.

Høy- og lavhastighetsområder nederst i mantelen

D"-sonen omfatter to antipodiske områder under Afrika og Stillehavet med lav skjærbølgehastighet og et mellomliggende sirkumpolarbelte under Arktis, Øst-Asia, Australia, Antarktis og Sør- og Nord-Amerika med høye skjærbølgehastigheter (Fig. 1). 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.

De tydeligste seismiske refleksjonene ved grenseflatene til post-perovskitt-laget finnes i dette kalde beltet, der post-perovskitt-laget også er tykkest (opp til 300 km). Innenfor de 300-500 km tykke lavhastighetsområdene under Afrika og Stillehavet finnes også seismiske grenseflater som muligens representerer grensene til post-perovskitt-dominerte lag. Lavhastighetsområdene består sannsynligvis av tunge, jern-rike og varme bergarter. Post-perovskitt opptrer i utgangspunktet ikke der temperaturen er høy. Betingelsen for at mineralet skal kunne dannes i de varme områdene er derfor at Fe-rik post-perovskitt har utvidet stabilitetsfelt.

Delvis oppsmelting av Jordas mantel

Hovedbergarten i mantelen er peridotitt. For å smelte peridotitt 100% må temperaturen opp til 1700°C når trykket er 1 bar. Smeltingen begynner imidlertid ved mye lavere temperatur (1100°C ved 1 bar og 1375°C ved 2 GPa (gigapascal, 1 GPa = 10 000 bar). Smelten som dannes ved 10-20% oppsmelting ved trykk som er lavere enn ca. 2 GPa innholder i sammenligning med peridotitten mye mindre Mg, like mye Fe og mye mer Si, Al, Ca og Na og vil størkne (krystallisere) til bergarten basalt.

Havbunnskorpen som dekker 70% av Jordas overflate består av basalt. Denne skorpen dannes ved platespredning og deloppsmelting i den øverste delen av mantelen, asthenosfæren, som ligger under de stive Jordplatene (lithosfæren). Innenfor havområdene er Jordplatene omtrent 80-100 tykke, og bare det øverste 7 km tykke laget er havbunnskorpe med basaltisk sammensetning.

Store basaltprovinser dannes ved oppsmelting i den øvre delen av mantelen når uvanlig mye varmt materiale stiger opp fra den aller nederste mantelen som et stort oppdriftshode. Slike basaltprovinser dannes både der det er havbunnskorpe og kontinentskorpe.

Mineralene i Jordas mantel

Ved lave trykk består peridotitt av 60 % olivin i tillegg til to pyroksentyper. Når trykket øker over 3 GPa dannes gradvis mer granat ved utskilling av aluminium fra pyroksenene, og i trykkområdet 10-15 GPa løses pyroksen opp i granat-fasen. Olivin gjennomgår omvandles til høytrykksmineralene wadsleyitt og ringwooditt ved henholdsvis 14 og 18 GPa trykk, i Jordas overgangssone. I Jordas nedre mantel består peridotitt av 75-80% Mg-perovskitt (eller post-perovskitt), 15-20% ferroperiklas og omtrent 5% Ca-perovskitt (Trønnes & Torsvik 2011, http://folk.uio.no/rtronnes/Publ-pop-sci/Jorda-Indre/Nat11-Tr-Jordas-indre.pdf).

Jordplatene som synker ned i mantelen i subduksjonssonene består av 90-95 % peridotitt og 5-10% havbunnskorpe med basalt (og gabbro). Basaltiske bergarter har pyroksen og plagioklas (feltspat) som hovedmineraler ved lave trykk og går over til eklogitt (Na-Al-rik pyroksen og granat) i øvre mantel og granatitt (90% granat) i overgangssonen. I den nedre mantelen inneholder basaltiske bergarter 40-50% Mg-perovskitt, 25-30% Ca-perovskitt, 15-20% Al-rike mineraler og 10-15% frie silikatmineraler (med stishovitt-struktur eller CaCl2- eller aPbO2-lignende struktur). Mg-perovskitt og post-perovskitt har MgSiO3som hovedkomponent og FeSiO3og FeAlO3som viktige bikomponenter. Ca-perovskitt er hovedsakelig CaSiO3.

Figur 1. Variasjonen i skjær-bølgehastigheter nederst i mantelen (2800 km dyp). Mørke blå og røde farger viser høye (opp til 2.5% over gjennomsnittet) og lave (ned til 2.5 % under gjennomsnittet) hastigheter. Koter for hastighetsnivået på 1% under gjennomsnittshastigheten er vist ved svarte linjer med tverrstreker. De raskeste hastighetsendringene faller i hovedsak sammen med kotene for 1%-reduksjonen. Overflateposisjonene til antatt dype oppdriftsstrømmer (røde kryss) og paleogeografisk rekonstruerte basaltprovinser med aldre fra 14 til 297 millioner år (hvite sirkler) ligger nær disse kotene. Modifisert fra Trønnes & Torsvik (2011, Naturen).

Figur 2. Omtrentlig ekvatorsnitt gjennom Jorda som viser de to antipodiske lavhastighetsområdene og strømningsmønsteret i mantelen. Mørke og lyse grønne Jordplater (lithosfæreplater) er henholdsvis kontinentale og oseaniske. Røde og blå piler (og rød og blå bakgrunnsfarge) markerer nedstrøms- og oppstrømsområder, og svarte piler viser platebevegelse. Der mantelstrømmene stedvis er rettet mot platebevegelsen er det større skjærbevegelser i den lett defomerbare asthenosfæren like under Jordplatene. Legg merke til det sirkumpolare beltet med synkende og kald mantelstrøm og den varme og stigende motstrømmen over lavhastighetsområdene. Jordas overflate, d.v.s. den residuale geoideflaten etter justering for tunge Jordplate-masser i den øvre mantel og overgangssonen, buler ut i Afrika- og Stillehavsregionene og ligger lavt over det sirkumpolare beltet. Tynne svarte linjer viser grensen for den nedre mantel ved 660 km dyp og stabilitetsområdene til post-perovskitt. Områdene for post-perovskitt inne i de to lavhastighetssonene er fremdeles litt usikre og uavklarte. Modifisert fra Trønnes & Torsvik (2011, Naturen).

Lavhastighetsområdene kontrollerer termisk oppdrift og store basaltprovinser

Det andre viktige 2004-gjennombruddet for kunnskapen om Jordas indre dynamikk kom i en artikkel av Burke & Torsvik i Earth and Planetary Science Letters. De gjorde paleogeografiske rekonstruksjoner av utbruddsstedene til 25 store basaltprovinser med ulike aldre opp til 200 millioner år som viste at provinsene med få unntak lå nær overflateprojeksjonene av yttergrensene til de to store antipodiske lavhastighetsområdene (slik de fremstår i dag).

I påfølgende artikler fra 2006, 2008 og 2010 har forskergruppen til Prof. Torsvik (nå leder for Senter for Jordas utvikling og dynamikk, Univ. i Oslo) dokumentert og nyansert dette sammenfallende mønsteret, også for store basaltprovinser og kimberlitter med aldre opp til 300 Ma. Kimberlitter er vulkanske eksplosjonsbergarter med utspring i diamant- og karbonatrik mantel som stiger opp fra stort dyp.

Mønsteret tyder på at lavhastighetsområdene har vært stabile i minst 300 millioner år og at yttergrensene er gunstige for utvikling og fokusering av oppvarmet og lett materiale som danner termiske "oppdriftshoder". Etter at oppdriftshodene er store nok, kan de stige mot overflaten, gjennomgå deloppsmelting i den øvre mantel og levere magma til de store basaltprovinsene.

En enkel analyse av massefordelingen i den roterende Jorda viser at en begrenset overskuddsmasse med tetthet som er litt større enn den omgivende gjennomsnitts-peridotitten vil fordele seg i to antipodiske hauger nær ekvator. Jordas rotasjon var mye raskere under avsluttende planetvekst (døgnlengden har øket fra ca. 6 timer for 4,5 milliarder år siden til 24 timer i dag) og rotasjonsenergien kunne trolig derfor etablere antipodiske tunge og varme lavhastighetsområder på et tidlig stadium.

Strømningene i Jordas mantel foregår som et sakte sig av faste, men deformerbare, bergarter akkurat som siget av fast-fase is i en isbre. Strømningsmønsteret omfatter i første rekke den synkende kalde massen i det sirkumpolare beltet og varme motstrømmer over de to lavhastighetsområdene (Fig. 2). Disse bevegelsene løfter Jordas overflate (geoide-flaten) over lavhastighetsområdene og senker overflaten over det sirkumpolare nedstrømsbeltet. Fra den nederste delen av nedstrømsbeltet siger bergartsmassene horisontalt langs kjernegrensen i retning mot lavhastighetsområdene (Fig. 2).

Den horisontale strømmen varmes opp fra kjernekontakten og blokkeres på grensen til lavhastighetsområdene. Videre oppvarming og termisk utvidelse kan gi lokal oppdrift og fokusert tilstrømning av materiale som danner et voksende oppdriftshode. Når hodet er blitt tilstrekkelig stort, varmt og lett, kan det overvinne viskositeten (seigheten) i de omgivende mantelbergartene, løsne og stige relativt raskt mot overflaten.

Yttergrensene til de tunge og varme lavhastighetsområdene er dermed gunstige for episodisk dannelse av oppdriftshoder og resulterende basaltprovinser på overflaten. Disse opptrer med gjennomsnitts-intervaller på ca. 10 millioner år. Mye av materialet i den horisontale strømmen langs kjernegrensen vil også gli inn over overflatene til lavhastighetsområdene under Afrika og Stillehavet og bidra til de brede (ca. 5000 km i diameter) og passive oppstrømmene som hever geoideflaten (Fig. 2).

Et oppdriftshode som har banet seg vei gjennom mantelen og dannet en stor basaltprovins vil vanligvis etterlate seg en varm "hale" ned til D"-sonen. Den lave viskositeten av bergartene i slike varme kanaler er gunstig for hurtig og effektiv strøm av varmt materiale. Seigheten i bergartene reduseres ved høy temperatur. Når Jordplatene beveger seg horisontalt på overflaten vil slike søylestrømmer resultere i rekker av eldre vulkansentre bort fra dagens aktive senter (Fig. 3).

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. Figur 3 viser også noen søylestrømspor som kobler sammen gamle basaltprovinser og aktive vulkansentre.

Navnsetting av mineralene i Jordas dype mantel

Kravene til nye mineraler som skal godkjennes av International Mineralogical Association er at de må bli prøvetatt og undersøkt fra en naturlig forekomst. Noen av de viktigste mineralene som bygger opp Jordas indre er også funnet i sjokkomvandlete meteoritter (fra kollisjoner mellom asteroider og mellom asteroider og Mars eller Månen) og disse mineralene har fått offisielle navn. De viktigste eksemplene er: høytrykkspolymorfene til olivin (Mg2SiO4-støkiometri): wadsleyitt og ringwooditt, høytrykkspolymorfene til pyroksen (MgSiO3-sammensetning): majoritt (granat-struktur), akimotoitt (ilmenitt-struktur).

Jordas viktigste mineral, Mg-perovskitt er funnet som lameller i MgSiO3-dominert materiale i Tenham meteoritten, men er fremdeles ikke offisielt godkjent, og mangler derfor også et eget navn. Ca-perovskitt og post-perovskitt har krystallstrukturer som går i oppløsning når trykket reduseres. Derfor kan du ikke bli bevart i overflatemateriale, og etter gjeldende regler vil de derfor heller aldri kunne godkjennes.

Seismiske bølger

Lydbølgene gjennom Jordas indre forplanter seg fra små og store jordskjelv og omfatter skjærbølger med svingeretning på tvers av og trykkbølger med svingeretning langs bølgens forplantningsretning. Bølgehastigheten varierer med materialenes stivhet og tetthet på følgende måte:

VS2= G/ρ og VP2= (K + 4G/3)/ρ

der VS og VP er hhv. skjær- og trykkbølgehastighetene, G er skjærstivhet, K er trykkstivhet og ρ er tettheten.

Skjær- og trykkstivhetene er knyttet til mineralenes egenskaper (krystallstrukturer), men avtar med stigende temperatur for et bestemt materiale.

Figur 3. Verdenskart som viser noen av de største søylestrømsentrene (røde sirkler) med tilhørende søylestrømspor over havbunnskorpe (rettlinjete kjeder av vulkanøyer eller sjøfjell, markert med røde piler). Alderen til vulkanene langs Hawaii-Emperor-sporet er angitt i millioner år (0, 45 og 80 Ma). Pilretningene er omtrent sammenfallende med retningene for platebevegelsen dersom de tilnærmet vertikale søylestrømmene opp fra dypet står i ro. Retningsforandringene i den vestlige delen av Stillehavet for ca. 45 Ma siden skyldes delvis at en sørgående mantelstrøm i Stillehavet i tiden før 45 Ma presset de øvre delene av søylestrømmene mot sør. De store basaltprovinsene dannet fra oppdriftshoder som startet noen av søylestrømmene på kartet er vist med fiolette yttergrenser: Parana og Etendeka som etablerte Tristan- og Gough-strømmen ble til under åpningen av Sør-Atlanteren for 132 Ma siden. Rajmahal (118 Ma), Kerguelen Plateau (114-100 Ma), Broken Ridge (95 Ma) og NinetyEast Ridge (30-90 Ma) har trolig sammenheng med hverandre og muligens også med Amsterdam-St.Paul-øyene. Deccan (65 Ma) er knyttet til dagens Reunion-strøm, og North Atlantic Igneous Province (62-60 Ma) er knyttet til dagens Island-strøm. Subduksjonssoner der havbunnsplater synker ned i mantelen er vist med tykke stiplete linjer og kontinentale subduksjons- eller kollisjonssoner med grønne stiplete linjer.

Lavhastighetsområdene: materialer, dannelse og alder

Opprinnelsen og alderen til lavhastighetsområdene nederst i mantelen er et høyt prioritert forskningsfelt ved Senter for Jordas utvikling og dynamikk. For å komme nærmere en slik avklaring undersøker vi de kjemiske likevektene mellom ulike mineraler og mellom mineraler og smelte under de ekstreme trykk- og temperaturforholdene som råder nederst i mantelen. Dessuten måler og beregner vi tettheten og de elastiske og termiske egenskapene til de aktuelle mineralene og smeltene.

Disse egenskapene som omfatter trykkstivhet (kompressibilitet), skjærstivhet, varmeutvidelse og varmeledningsevne, er avgjørende for å knytte de seismiske målingene til de riktige mineralene nederst i mantelen. Trykkstivhet, varmeutvidelse og varmeledning bestemmer oppdriftsmulighetene for ulike varme materialer og inngår derfor i strømningsmodellene. De elastiske og termiske egenskapene kan bestemmes ved en kombinasjon av høytrykkseksperimenter og molekyldynamiske beregninger. Disse metodene er beskrevet i Trønnes (2010, www.forskning.no/artikler/2010/januar/239069).

De kjemiske likevektene og tetthetsforholdene mellom mineraler og smelte gir innsikt i hvordan ulike tunge materialer kan skilles fra den omgivende peridotitten. Vi vet allerede at det finnes to hovedkandidater for det tunge lavhastighetsmaterialet som vil ha passende tetthet:

1. Jern-rik peridotitt som kan stamme fra sene krystall-ansamlinger (kumulater) fra den siste delen av krystallisasjonen av Jordas siste magmahav, like etter at Månen ble til (Trønnes 2009, www.forskning.no/artikler/2009/juli/225478)

2. Basaltisk eller gabbroid havbunnsskorpe dannes kontinuerlig ved smelting øverst i mantelen under midt-havsryggene. Slik havbunnskorpe utgjør de øvre 7 km av havbunnsplatene som glir bort fra midthavsryggene og synker ned i mantelen i subduksjonssonene rundt Stillehavet og under Indonesia (Fig. 3).

Den sannsynlige alderen for lavhastighetsområdene vil være svært forskjellig for disse to materialtypene. Kumulatene (type 1) vil være 4,47-4,40 milliarder år gamle, mens basaltisk havbunnskorpe (type 2) vil ha vokst gradvis over de siste 3-4 milliarder år. Det er også mulig at de to lavhastighetsområdene har kjerneområder av kumulater med tilvekst av resirkulert havbunnskorpe i de ytre delene.

Smelteeksperimenter og molekyl-dynamiske beregninger under trykkforhold som svarer til den nederste delen av mantelen viser at jern-rik peridotitt dannet som krystall-ansamlinger fra krystalliseringen av Jordas tidlige magmahav er et sannsynlig materiale i lavhastighetsområdene. Fordi dette materialet må være varmere enn den omgivende mantelen vil post-perovskitt (som favoriseres av lav temperatur) opptre i lavhastighetsområdene bare dersom mineralets stabilitetsfelt utvider seg i Fe-rikt materiale. Våre molekyldynamiske beregninger indikerer at FeSiO3-komponenten øker stabilitetsfeltet til MgSiO3-dominert post-perovskitt, mens FeAlO3-komponenten reduserer stabilitetsfeltet. Dette kan tyde på at lavhastighetsområdene består av materiale med mye jern, men lite aluminium, og at Fe-rik peridotitt derfor er et bedre alternativ enn basaltiske bergarter, som også har mye Al.

Kontinentenes bevegelser og Jordas utvikling

Dersom vi kan finne sikre tegn til 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.

I dag er de mest pålitelige paleogeografiske rekontruksjonene begrenset til de siste 250-300 millioner år, d.v.s. til perioden etter dannelsen av superkontinentet Pangea. Målinger av det innfrosne magnetfeltet i eldre bergarter, som også kan dateres, gir informasjon om breddegraden, men ikke lengdegraden, for bergartenes dannelse. Dersom vi antar at de fleste store basaltprovinser og kimberlitter stammer fra grenseområdene til de to antipodiske lavhastighetsområdene og at disse har vært stabile, f.eks. i de siste 540 millioner år (fra begynnelsen av Kambrium), kan vi forsøke å plassere kontinentene slik at de ulike basaltprovinsene og kimberlittene med fastlagt breddegrad faller sammen med en av de fire LHO-grensene. Geologisk tilleggsinformasjon og rimelige fartsgrenser for platebevegelsene gjør at vi ofte kan ekskludere minst tre av de fire alternativene. Til slutt må "puslespillet" vårt med kontinentene og Jordplatene passe sammen ved de ulike tidspunktene i rekonstruksjonen. Målet vil være å komme stadig lenger tilbake i tid og oppnå forbedret nøyaktighet med slike puslespill.

Referanser

Ein kortare versjon av denne saka er publisert på geoforskning.no

Av Reidar G. Trønnes, Senter for Jordas utvikling og dynamikk og NHM
Publisert 8. mai 2014 08:53 - Sist endret 19. jan. 2015 17:12