Muinaisen merenpohjan palaset ydinkerroksen reunalla

Kuva näyttää aluksi tahralta lääketieteellisessä skannissa. Mutta tuon sumean alueen alla voi piillä planeetan jäänne: merenpohjan kuoren palasia, jotka ovat vajonneet niin syvälle, että ne lepäävät nyt siellä, missä sulanut ulkoydin kohtaa kallioperäisen vaipan. Antarktiksen asemia käyttävät seismologit kertovat, että nämä ohuet, tiheät laikut muodostavat erittäin matalan nopeuden alueita noin 2 900 kilometrin syvyydessä, ja ne saattavat ulottua suuren osan ytimestä ympäröiväksi vyöhykkeeksi.

Miten tutkimusryhmä tutki planeetan kätkettyä anatomiaa

Seismiset aallot ovat syvän Maan ainoa käytännöllinen röntgenkuvaus. Vuosina 2019–2022 Samantha Hansenin ja Edward Garneron kaltaisten tutkijoiden johtama ryhmä käytti 15 Antarktiksen jäähän porattua seurantapistettä tallentaakseen tuhansia Eteläisen pallonpuoliskon läpi kulkeneita maanjäristysaaltoja. Näiden aaltojen saapumisajat ja vääristymät paljastavat eroja planeetan sisäisessä koostumuksessa ja lämpötilassa.

Paikoissa, joissa seismiset aallot hidastuvat huomattavasti, geofyysikot kutsuvat piirteen erittäin matalan nopeuden alueeksi (ULVZ). Nämä ULVZ:t esiintyvät ohuina kerroksina, jotka joissain kohdissa ovat vain muutaman kilometrin paksuisia ja toisissa kymmeniä kilometrejä. Vaihtelu on vaikuttavaa. Joissakin paikoissa näiden anomalioiden topografia vastaa ytimen suhteen mitattuna jylhiä vuoria, mahdollisesti jopa viisi kertaa Everestin korkeutta.

Tutkijat laskevat seismisiä laitteita paikalle yhdellä asemista osana Transantarktisten vuorten tutkimusta. 

Miksi merenpohjan kuori on paras ehdokas

Seismisten aaltojen käyttäytymiseen voi olla useita syitä. Lämpötilaerot voivat muuttaa nopeutta. Osittainen sulaminen vaikuttaa myös. Koostumuksella on vielä suurempi merkitys. Tutkijaryhmän mukaan johdonmukaisin selitys kartoitetulle kuvioille on kierrätetty merenpohjan kuori, joka vajosi vaippaan kauan sitten ja on nyt levittäytynyt ydin-vaipparajalle.

Miksi merenpohja? Koska basalttinen merenkuori on tiheämpää ja kemiallisesti erilaista verrattuna ympäröivään vaippakiveen. Kun tällainen aine kulkeutuu alaspäin litosfäärilaattojen ja vaippakonvektion mukana, se voi säilyä tunnistettavana kerroksena syvällä. Seismisen analyysin rinnalla ajettu numeerinen simulointi osoittaa, että konvektiovirrat pystyvät ohjaamaan alityöntynyttä basalttia pois nykyaikaisista alityöntöalueista ja uudelleen asettamaan sitä lähelle ydin-vaipparajaa.

Kiviliikkeitä vaipassa. 

Kirjoittajat ovat varovaisia. Kivilajin päätteleminen seismisen nopeuden perusteella on epäsuoraa. Vaihtoehtoisia selityksiä, kuten paikalliset kemialliset anomaliat tai osittaisen sulan vyöhykkeet, ei ole poissuljettu. Silti merenkuoren hypoteesi selittää monien Eteläisen pallonpuoliskon alla havaittujen ULVZ:ien ohuen, tiheän ja lateraalisesti laajan luonteen.

Vaikutukset lämpöön, magneettisuuteen ja pintaprosesseihin

Jos muinainen merenpohja todella kietoutuu ytimen ympärille, seuraukset heijastuisivat ylöspäin Maan järjestelmiin. Ydin on kuumempi ja tiheämpi kuin sitä ympäröivä vaippa. Se, miten lämpö poistuu ytimestä vaippaan, säätelee konvektiokuvioita siellä, mikä puolestaan vaikuttaa pitkäaikaiseen vulkaaniseen aktiivisuuteen ja geodynamiikkaan, joka ylläpitää Maan magneettikenttää. Kemiallisesti erottuva kerros ydinrajan lähellä muuttaisi lämmönvirtausta paikallisesti, mahdollisesti luoden kuumia paikallisia alueita tai esteitä, jotka muovaavat vaippasuonia.

Käytännössä muinainen, ydintä ympäröiväksi levittäytynyt kuorikerros voi auttaa selittämään hämmentäviä alueellisia eroja vaipan dynamiikassa ja tarjota yhteyden pintatektoniikan ja syvän Maan prosessien välillä. Se avaa tien uusille kokeille: tiheämmille seismisille verkoille, laajennettuille Antarktiksen kenttäasennuksille ja täydentyneelle aaltomuotomallinnukselle, joka pystyy paremmin erottamaan ULVZ:ien geometriaa ja koostumusta.

Asiantuntijan näkökulma

Tohtori Maria Ortega, geofyysikko, joka ei osallistunut tutkimukseen, asettaa löydön perspektiiviin. "Tämä työ käyttää yhtä selkeimmistä seismisistä linsseistä, joita meillä on Eteläisen pallonpuoliskon alla. Ajatus, että vanhan merenpohjan fragmentit voivat kerääntyä ydin-vaipparajalle, on uskottava ja innostava. Jos se vahvistuu, se pakottaa meidät ajattelemaan uudelleen, miten kemiallinen kerrostuneisuus ja lämmönsiirto toimivat syvimmillä tasoilla ja miten nämä prosessit vaikuttavat takaisin pinnalle geologisella aikaskaalalla."

Löydös, joka julkaistiin Science Advancesissa vuonna 2023, on kutsu tutkimukselle eikä lopullinen tuomio. Tulevat seismiset kartoitukset ja laboratoriotutkimukset korkeapaineisen mineraalifysiikan alalla tarvitaan testaamaan, ovatko nämä ULVZ:t todellakin kierrätettyä basalttia vai jotain eksoottisempaa. Joka tapauksessa syvä Maa on yhä vähemmän yhtenäinen kuin varhaiset mallit ehdottivat. Se on monimutkaisuuden, muistin ja liikkeen paikka, jossa vanhat merenpohjat ehkä nyt näyttelevät hiljaista roolia planeettamme ytimessä.