Når enorme jordskjelv knuser byer, slik som i Asia i 2004 og i Japan i 2011 – da den voldsomme kraften fra jordskjelv sendte tsunamibølger inn over land og drepte til sammen flere hund-re tusen mennesker – går trykkbølger gjennom hele jorda, fra jordskjelvområdet gjennom den flytende massen i jordas indre og ut til den andre siden.
Trykkbølgene blir fanget opp av målestasjoner over hele verden, slik som av det seismologiske observatoriet NORSAR på Kjeller utenfor Oslo.
Ved å tolke disse trykkbølgene, kan forskerne få et innblikk i hvordan innsiden av jorda ser ut.
En av de store uløste gåtene de siste årtiene er sammenhengen mellom den flytende massen i jord-as indre, kalt mantelen, og hvorfor kontinental-platene på jordskorpa beveger seg slik de gjør.
Kan forstå klimaendringene
Takket være helt nye matematiske modeller, prøver geologene å tolke trykkbølgene fra jordskjelv for å beregne hvordan jorda, både på utsiden og innsiden, har endret seg i løpet av de siste 250 millioner år.
– Med den nye modellen kan vi få et historisk bilde av hvordan planeten vår har sett ut, hvordan jordskorpa og mantelen har utviklet seg, og om det er mantelen som styrer bevegelsene til jordplatene eller omvendt. Vi vil da kunne forstå hvorfor mantelen er lagdelt, og om det har skjedd umiddelbart eller over millioner av år. Forskning på mantelen er dessuten viktig for å forstå klimaendringene på jorda. Det er en sammenheng mellom mantelen og klimaet på kloden. Vi kan bruke modellene til å se på massebalansen av kjemiske elementer i mantel-en og i atmosfæren, og bruke denne massebalan-sen til å se hvordan klimaet på jorda har utviklet seg. Med modellene kan vi også lære oss mer om hvordan planeter er bygd opp, både i solsystemet vårt og andre steder i verdensrommet, forteller postdoktor Abigail L. Bull-Aller på det nye senteret for fremragende forskning, Centre for Earth Evolution and Dynamics ved Universitetet i Oslo, ledet av professor Trond Torsvik.
Senteret vil de neste ti årene få 155 millioner kroner til å utvikle matematiske modeller som kan forklare hvordan mantelen i jordas indre påvirker bevegelsen til jordplatene og fører til massive vulkanutbrudd.
Jordskorpa slukes opp
For å finne svar på dette, må forskerne forstå hvordan deler av jordskorpa blir slukt opp av mantelen. Jordskorpa består av kontinentale plater. Platene beveger seg hele tiden. Det kan skje på tre måter. Platene kan bevege seg fra hverandre. Da skapes en åpning til jordas indre. Island, med alle vulkanene sine, ligger i en slik åpning. Platene kan også bevege seg sidelengs mot hverandre. Og sist, men ikke minst: Platene kan bevege seg mot hverandre. Da skjer de verste jordskjelvene.
Når plater kolliderer, kan den ene platen bli presset nedover mot mantelen. Det er nettopp det som skjer utenfor kysten av Japan. Der har den ene platen gjennom flere millioner år blitt presset 600 kilometer nedover i mantelen. Disse kollisjonene skjer vanligvis når de få kilometer tynne havplatene kolliderer med de opptil 20 kilometer tykke jordplatene. Det er nettopp slike kollisjoner som førte til de fryktinngytende jordskjelvene i Japan i 2011 og utenfor Indonesia i 2005.
Disse platene ser ut som underjordiske tunger. Ettersom tungene er tyngre enn selve mantelen, synker de stadig lenger ned i jorda, med en fart på ti centimeter i året. Teoretisk sett kan de synke helt til bunnen av mantelen.
– Tungene er kjemisk annerledes enn mantelen, og de er mye kaldere enn mantelmassen rundt dem. Mens temperaturen inne i tungene bare er på fattige 700 grader, er mantelmassen rundt tungene over dobbelt så varm. Lenger nede er mantelen 3000 grader.
Avhengige av jordskjelv
For å måle hva som skjer inne i mantelen, holder det ikke med små menneskeskapte seismologiske målinger. De trykkbølgene som menneskene selv klarer å lage, går bare noen få kilometer ned i jorda. Forskerne er derfor avhengige av målestasjoner som fanger opp energibølgene fra skikkelig store jordskjelv. Det finnes en rekke jordskjelvstasjoner på den nordlige halvkule, de fleste i velstående land. Afrika har bare noen få slike stasjoner. Mange av dem ble satt opp under den kalde krigen for å registrere hemmelige atomvåpensprengninger.
Seismologiske målinger viser at den 600 kilo-meter lange japanske tungen som stikker ned i mantelen, holder formen, og at bare en liten brøkdel av massen faller av og blir omdannet til mantel.
Amerikanske forskere mener at tungen har falt av og at kontinentalplaten derfor har begynt å bevege seg sidelengs i stedet.
– Målingene er dessverre ikke gode nok til at vi kan være helt sikre. For å få bedre målinger hadde vi trengt et tettere nettverk av målestasjoner. Vi må i stedet bruke numeriske beregninger på superdatamaskiner for å beregne hva som skjer med denne tungen, forteller Bull-Aller.
Kikkhull til jordas indre
Når noe synker ned i mantelen, blir andre deler av mantelen presset opp som varmesøyler. Dette er Bull-Aller spesielt opptatt av. Den varme massen stiger langsomt opp gjennom mantelen og havner til slutt på jordas overflate. Noen ganger kan det resultere i svære vulkanutbrudd. Andre ganger kommer massen bare sakte opp.
Varmesøylene er geologenes kikkhull ned i jordas indre. I noen av disse varmesøylene er diamanter fra jordas indre blitt transportert opp til jordoverflata. Et eksempel på et slikt kikkhull er sørafrikanske Kimberley, som har en av de største diamantforekomstene i verden.
Et annet viktig kikkhulleksempel til jordas indre er Devvan Traps i India. Her ligger restene etter en 65 millioner år gammel supervulkan.
Måler temperaturen inne i jorda
Takket være de seismologiske målingene, kan forskerne måle temperaturen i mantelen. Når materien er varmere, bruker energibølgene fra jordskjelv lengre tid til jordoverflata. I kaldere materie er energibølgene raskere.
Temperaturen er ikke den samme i hele mantelen. Rett under Stillehavet og Afrika fins to svære områder, kalt Anomolis, som er varmere enn andre deler av mantelen.
Forskningsleder Trond Torsvik mener at begge Anomolis-områdene er gamle, mens andre mener at det ene Anomolisfeltet under Afrika er av nyere dato. Og med nyere dato mener geologene bare noen få hundre millioner år.
– Begge hypotesene kan være riktige, sier Bull-Aller.
Hun bruker nå simuleringer til å undersøke hvem som har rett.
– Vi vil finne ut av hva Anomolis-områdene er laget av, hvorfor de er der, hvordan de har endret seg over tid og hvorfor de har fått den formen som de har i dag.
En hypotese er at skorpa fra jordas barndom har sunket ned og dannet de spesielle områdene. Men det kan også tenkes at de består av noe som kommer dypt inne fra mantelen.
Simulerer forhistorien
For å beregne hvordan mantelen og jordskorpa har endret seg de siste hundre millioner år, har Bull-Aller tatt i bruk enormt tunge beregninger. For å klare det må hun gjøre en rekke antakelser om hvordan mantelen så ut den gangen. Så simulerer hun hvordan mantel-en kan ha utviklet seg og sammenligner om svaret ligner på hvordan mantelen ser ut i dag. Så lenge svaret ikke stemmer, må hun endre på antakelsen og prøve igjen.
Hun har startet simuleringer både der hun antar at Anomolis ligger som et lag nederst i mantelen og der begge Anomolis-områdene er der de er i dag.
– Vi er på sporet! Vi har fått noe som ligner på det vi har i dag. Simuleringsmodellen klarer å gjenskape Anomolis under Stillehavet. Den har nå rett størrelse, men fortsatt ikke samme form. Vi har også fått noe som ligner på Anomolis under Afrika. Men simuleringene viser fortsatt et hull i midten som ikke skal være der.
Tunge beregninger
Beregningene er enormt tunge og kan bare gjennomføres på super-datamaskiner. Bull-Aller har muligheten til å kjøre ti simuleringer, med ulike parametre, samtidig. Hver simulering tar fire dager.
– Vi stopper simuleringene om de ikke bærer rett vei. Vi vil ikke sløse med maskintiden.
Siden september i fjor har hun brukt 400 000 datamaskintimer av kvoten hennes på 600 000 timer.
Foreløpig har hun bare klart å simulere hvordan mantelen kan ha sett ut for 250 millioner år siden. Nå vil hun simulere enda lenger tilbake i tid.
Med modellen kan geologene også forklare hvor det fins mer vann på jorda.
– Ikke glem at det er en tynn skorpe mellom verdenshavene og mantelen. Det går mye vann ned i mantelen og opp igjen. Noen mener at vi har mer vann i mantelen enn i verdenshavene.
Med modellen kan de også gi mer presise anslag av hvordan kontinentalplatene vil bevege seg vid-ere. Denne vitenskapen kalles for platetektonikk.
– Vi ønsker å finne ut av om jorda er den eneste planeten i universet med bevegelige kontinentalplater. Livet på jorda ville ha vært helt annerledes uten denne platetektonikken, avslutter Bull-Aller.