Unike bilder fra jordas indre overrasker forskerne

For over 100 år siden skrev den tyske meteorologen og ballongfareren Alfred Wegener et brev til sin fremtidige kone Elsa Köppen. Der bemerket han et merkelig mønster han hadde sett på verdenskartet.

– Passer ikke østkysten av Sør-Amerika nøyaktig sammen med Afrikas vestkyst, som om de en gang har hengt sammen? skrev han i desember 1910.

– Dette er en idé jeg må forfølge.

Alfred Wegener, som først foreslo ideen om kontinentaldrift. Foto: Wikipedia, public domain

Etter mange tiår og mye debatt førte Wegeners innsikt til forståelsen av at jordskorpen består av plater som passer sammen som et sprukket eggeskall på et egg – bortsett fra at skallbitene eller platene beveger seg rundt på et mer plastisk lag kalt astenosfæren.

I områder der platene beveger seg fra hverandre, som i midten av Atlanterhavet, dannes det ny jordskorpe. Her stiger smeltet stein opp fra dypet og danner en rygg mellom platene. Men fordi disse midthavsryggene ofte ligger på dypt vann eller i ugjestmilde strøk, vet vi lite om dem.

Nå har norske forskere brukt avansert elektromagnetisk teknologi for å lage de aller første bildene av en bestemt type midthavsrygger. De ville lære mer om prosessene i mantelen, laget som ligger mellom jordskorpa og jordas kjerne. Resultatene ble nylig publisert i Nature.

Avbildning av det ukjente

Ståle Emil Johansen, førsteforfatter og professor ved NTNUs Institutt for geovitenskap og petroleum, sier de bestemte seg for å studere en bestemt type midthavsrygger: de ultrasakte spredningsryggene.

Som navnet antyder er det her platene beveger seg ekstremt sakte fra hverandre.

De tektoniske platene. Mohnryggen ligger sørvest for Svalbard og øst for Grønland. Foto: US Geological Survey

Mer enn 30 prosent av midthavsryggene i verden er slike ultrasakte rygger, sier Johansen. Men likevel vet geologene lite om dem.

– Ingen har tidligere avbildet slike rygger ved å bruke moderne elektromagnetiske metoder. Dette er dypere enn vi noen gang har greid å avbilde, sier han. – De dype strukturene har simpelthen vært ukjente.

Les også: Trondheim, hovedstad for mineralutvinning til havs?

Lokeslottet under havet

Mohnryggen heter den ultrasakte ryggen som forskerteamet studerte. Den ligger sørvest for Svalbard og øst for kysten and Grønland.

Her er havbunnsskorpen veldig tynn, og det finnes et stort felt med «Black smokers» (hydrotermiske svarte skorsteiner) i et område som heter Lokeslottet, 2350 meter under havflaten.

Black smokers er skorsteiner på havbunnen som gir fra seg en jevn strøm av ekstremt varmt, mineralrikt saltvann. Rundt slike skorsteiner avsettes mineraler som felles ut når det varme vannet møter det kalde havvannet.

Johansen sier prosjektet fokuserte på å forstå prosessene som styrer dannelsen av slike ultrasakte rygger.

– Dette er grunnforskning, sier han, – selv om det også gir oss innsikt i dannelsen av undersjøiske mineralforekomster.

Les også: Havets hemmeligheter hentes opp fra dypet

Dette bildet viser et tverrsnitt av regionen som ble undersøkt, med den ultrasakte sprederyggen i midten. Pilene i de røde områdene øverst viser sirkulasjonsmønsteret til sjøvannet. Vannet blir anriket med mineraler før det kommer opp fra ryggen i en «black smoker». Foto: Johansen et al. Nature 2019

Målte svake spenninger over store avstander

Forskerne brukte en spesiell type elektromagnetisk avbildningsteknikk som kalles CSEM (aktiv EM). Et skip plasserer antenner nede på havbunnen i et mønster. Deretter taues en elektromagnetisk kilde over antennene og registrerer signalet som kommer tilbake fra undergrunnen.

Havbunnsantennene kan også ta opp en annen type elektromagnetisk signal, et naturlig elektromagnetisk bakgrunnssignal. Teknikken som bruker denne energien kalles magnetotellurics (MT).

– Ladede partikler fra solen skaper elektriske strømmer når de treffer jordens atmosfære. Du kan også se denne energien når du ser nordlyset, forklarer Johansen.

Han sier det er fascinerende at dette naturlige signalet, som er svært svakt, i det hele tatt kan måles etter den lange reisen fra ionosfæren dypt inn i mantelen og tilbake igjen til havbunnen. Men det fungerer, spesielt når det kombineres med CSEM-teknologi.

– Det vi har gjort for første gang er å sette sammen disse to signalene til ett datasett i en slik setting. Da kunne vi lage ganske spektakulære bilder av de dype strukturene under ryggen, sier han.

En «black smoker». Foto: US National Oceanographic and Atmospheric Administration

Informasjonen de samlet inn – svake forskjeller i spenning som skyldes ulike elektriske egenskaper i bergartene – kan oversettes til bilder som viser

fordelingen av bergartene, temperatur, smelte i bergartene og væskeinnholdet i undergrunnen.

På ett bilde kunne forskerne se det sirkulerende saltvannet som bidrar til å danne mineralforekomstene ved Lokeslottet.

En annen serie bilder viser hva som skjer der de to havbunnsplatene beveger seg fra hverandre. Det var dette forskerne var mest interesserte i.

Teknologien fungerte så bra at de kunne lage bilder ned til 120 kilometer under havbunnen. De skjønte at funnene kunne bidra til å forklare de kartlagte strukturene, men også til å forstå grunnleggende prosesser som danner de ultrasakte spredningsryggene.

Forstår hvordan ny skorpe dannes ved midthavsrygger

Selv om Wegeners platetektoniske teori har vært akseptert i over seksti år, og vi vet mye om de generelle prinsippene bak platetektonikk, er det fortsatt mye mer å lære – spesielt når det gjelder midthavsryggene.

Når plater glir fra hverandre et sted på kloden, presses de mot hverandre et annet sted.

Når to plater møtes, blir den ene presset under den andre. Dette skjer i Stillehavet, hvor den østlige kanten av stillehavsplaten sklir under det Sør-amerika.

De er generelt mye tektonisk aktivitet, for eksempel jordskjelv eller vulkanisme, langs plategrenser. Dette er ofte mer merkbart når kanten av platen ligger nær et kontinent, som for eksempel i California.

Les også: Store mineralverdier på Norges havbunn

Skipet samlet inn dataene som ble brukt i studien langs denne ruten. Foto: Johansen et al. Nature 2019

Passivt eller aktivt ryggsystem

I dette tilfellet ville forskerne finne ut hva som skjedde under en ultrasakte spredningsrygg.

Ble strukturer under ryggen dannet av delvis smeltede bergarter som «boblet opp» når den Nord-amerikanske og Eurasiske platen beveget seg fra hverandre? Eller er det overtrykk i mantelen som aktivt presser delvis smeltet bergart opp fra dypet?

Bildet viser delvis smeltede mantelbergarter som kommer opp under Mohnsryggen (varme farger), avbildet ved hjelp av passiv og aktiv elektromagnetisk metodikk (MT og CSEM). Øverst vises havbunnstopografien, havbunnsvulkaner og jordskjelvsepisentere. Bildet viser tydelig at litosfæren til høyre, østsiden av ryggen, er mye tykkere enn litosfæren vest for ryggen. Foto: Johansen et al. Nature 2019

– Normalt når vi ser for oss kontinentplater som beveger seg fra hverandre, lager de en åpning mellom seg der magma stiger opp. Det har vært vanlig å tenke seg at slike strukturer under ryggen er symmetriske, sier Johansen.

Men da forskerne så bildene, skjønte de at dette ikke var tilfelle under Mohnsryggen og at platen øst for ryggen var mye tykkere og kaldere enn platen vest for ryggen.

Dette er viktig fordi geologer tradisjonelt har trodd at asymmetri under midthavsrygger betyr at systemet må være dynamisk, og at et overtrykk presser magma opp fra den dype mantelen.

Men her skjønte forskerne at det kan være en mye enklere forklaring på asymmetrien under ryggen.

Den østlige platen beveger sakte sydover mens den Nord-amerikanske platen beveger seg nesten rett vestover.

Asymmetrisk bevegelse forklarer mønsteret

Kort sagt:

– Asymmetri under en rygg trenger ikke å være et tegn på trykk nedenfra, sier han.

– Kanskje er det enklere enn det. Kanskje asymmetriske strukturer under rygger dannes fordi platebevegelsene på overflaten er asymmetriske.

Det kan bety at det ikke er overtrykk under Mohnsryggen som skaper asymmetrien, men bevegelsene i platene selv. Dette er viktig informasjon som vil hjelpe forskerne til bedre å forstå sammenhengen mellom platebevegelser og prosesser i dypet.

Johansen kom til akademia etter en karriere hos Equinor og hos EMGS, firmaet som utviklet den elektromagnetiske avbildningsteknikken som forskerne brukte.

– Folk spør meg noen ganger hvorfor jeg driver med akkurat dette, sier han. – Grunnforskning er givende og spennende!

Kilde: Deep electrical imaging of the ultraslow-spreading Mohns Ridge. Ståle Emil Johansen, Martin Panzner, Rune Mittet, Hans E.F. Amundsen, Anna Lim, Eirik Vik, Martin Landrø & Børge Arntsen. Nature 2019 doi:10.1038/s41586-019-1010-0

Denne saken er først publisert på Gemini.no - forskningsmagasinet til NTNU og SINTEF.