Jordas indre struktur og dynamikk - platedriften i et videre perspektiv Reidar G. Trønnes Naturhistorisk museum, Univ. i Oslo

Lithosfæren (jordplatene) - 80-200 km tykt skall (gj.snitt: 100 km) - inneholder jordskorpe (7-40 km tykk) og den øvre, stive delen av mantelen Asthenosfæren - diffus sone under lithosfæren - omtrent på 100 – 350 km dyp - lav viskositet Viskositetsprofil, log10 (Pa s) Steinberger & Calderwood (2006) Lithosfæren Asthenosfæren Dyp, km Mantel-kjerne-overgangen

Total indre energi: 46 TW (85% fra mantel og kjerne) Energikilder for strømningene i kjerne og mantel ("Jord-maskinen”): Total indre energi: 46 TW (85% fra mantel og kjerne) 7 TW fra jordskorpa: radioaktivitet fra U, Th, K (godt fastlagt) ingen betydning for Jordas indre konveksjon-dynamikk 31-34 TW fra mantelen: radioaktivitet fra U, Th, K og avkjøling 5-8 TW fra kjernen krystallisasjonsvarme og avkjøling

Jordas struktur og dynamikk Informasjonskilder Seismologi – hastigheten av jordskjelvbølger Tyngdefelt Magnetfelt Varmestrøm Platebevegelser (kan måles, bl.a. med GPS) Høytrykkseksperimenter – mineralogi og mineralfysikk Kosmokjemi og geokjemi – jordas sammensetning og utvikling To typer lydbølger gjennom Jordas indre: - P-bølger (trykkbølger): svinger parallelt med utbredelsesretningen - S-bølger (skjærbølger): svinger normalt til utbredelsesretningen

Modellen gir meget godt fastlagt tetthet og trykk Jordas hovedstruktur fra seismologi (bl.a. globale svingninger etter store jordskjelv) og tyngdefelt Modellen gir meget godt fastlagt tetthet og trykk som funksjon av dypet

Temperatur: holdepunktene 660 km-grensen: Faseovergang til mineralet perovskitt ved 24 GPa Adiabatisk gradient for mantelen: under smeltekurven for stein Kjerne-grensen: gigantisk termisk grenselag! Temp.kontrast: 2500 - 3800 K ! (DT: 1300K) Tetthetskontrast: 5500 - 9900 kg/m3 Adiabat for ytre kjerne: over smeltetemp. for FeNi Indre-ytre kjerne-grense: 330 GPa / 5150 km: smeltepunktet for FeNi

Trykkstivhet (bulk modulus): K Skjærstivhet (skjær-modulus): G Mineralogi og seismologi: nære forbindelser Seismisk hastighet  mineralfysiske egenskaper Trykkstivhet (bulk modulus): K Skjærstivhet (skjær-modulus): G G/r = vs2 K/r = vp2 – 4/3vs2 = F (seismiske parameter)

Mineralfysikk: Enhetscellens V og r som funksjon av p og T In-situ røntgendiffraksjon under høy p og T: - i diamant-cellen - høy-intensitets synkrotron-stråling Braggs lov: n l = 2 d sin q

Diamantcellen Metallpakning 3 cm

Laser-varming av prøve i diamantcelle, Univ. of Bristol

Røntgendiffraksjon ved høy-intensitets synkrotronstråling stråle Til detektor

Er Mg-perovskitt stabilt gjennom hele mantelen ? Mg-perovskitt, MgSiO3 Jordas dominerende mineral - 75% av nedre mantel (nedre mantel: 54 volum% av Jorda) - 41 vol% av Jorda ! (SiO6)8--oktaeder Mg2+-kation Er Mg-perovskitt stabilt gjennom hele mantelen ? Ca. 1980 - 2004: Mineraloger: Ja, trolig (store høytrykks-teknologiske begrensninger) Seismologer: Seismiske reflektorer kan tyde på faseovergang(er) nederst i mantelen

D”-sonen (først beskrevet av Bullen,1940) - stor variasjon i lydhastighet - anisotropi - minst to seismiske reflektorer 300-50 km over kjerne-mantel-overgangen - to store lavhastighets-områder under Stillehavet og Afrika (200-400 km tykke) - mindre ultra-lavhastighetslinser (5-40 km tykke)

Lay & Helmberger (1983, Geophys. J. Roy. Astr. Soc) S-bølge triplett California Samoa

Faseovergang til post-perovskitt Mineralogisk gjennombrudd i 2004: Faseovergang til post-perovskitt KM-grensen MgSiO3 (Murakami et al. 2004) T-gradient MgSiO3-perovskite post-pv phase

Pv-ppv-overgangen er svært temperaturfølsom Pv: høy entropi, Post-pv: lav entropi Pv-ppv-overgangen er svært temperaturfølsom

Stor T-økning nær kjernegrensen Pv (med høy entropi) blir re-stabilisert like over kjernegrensen Seismisk tomografi Avbildning av hastighetsvariasjoner i 2 eller 3 dimensjoner

Seismisk tomografi: store T-variasjoner øverst og helt nederst i mantelen S-bølge-kontrast, % Dyp, km Dyp, km

S-bølge-modeller, D”-sonen To store antipodale lavhastighets-områder (LHO - LLSVP) Afrika – Stillehavet (nær ekvator - 180º separasjon) Sirkumpolarbelte med høye hastigheter Afrika Stillehavet Afrika Dziewonski et al. (2010, EPSL) Dette mønsteret faller sammen med geoiden: Jordas ”overflateform” (sfærisk harmonisk grad-2-mønster) Trønnes (2010, Mineral.Petrol.)

Termiske oppdriftsbobler og søylestrømmer fra kjernegrensen: nye indikasjoner fra paleo-geografisk rekonstruksjon av store basaltprovinser (SBP) SC Dagens SBP-kart - aldre: 16 - 297 Ma - tilsynelatende tilfeldig geografisk fordeling Paleogeografisk relokalisering Nær periferien til de to antipodale LHO - langtids-stabilitet (≥ 300 Ma) - tungt og varmt materiale (termokjemiske hauger) +2.5% hurtig Oslo-feltet ! SCLIP, 300Ma SC –1% sakte Afrika Stillehavet –3% sakte Burke & Torsvik, 2004, EPSL Torsvik et al., 2006, GIJ Burke et al. 2007, EPSL Torsvik et al. 2008, EPSL Torsvik et al. 2010, Nature

Platekonfigurasjon og platehastighet

Termokjemisk haug

Seismisk tomografi-snitt Nær ekvator Burma India New Guinea IHR Afrika Tonga Midthavs-rygger: MAR: Midt-Atlantiske rygg IHR: Indiske-hav-ryggen. ØSR: Østlige Stillehavsrygg MAR Subduction zones ØSR Mellom- Amerika Schubert, Turcotte and Olson (2001, Mantle convection in the Earth and planets. Cambridge Univ. Press)

Omtrentlig ekvatorsnitt Legg merke til: 1. Platebevegelsen er stedvis mot frem- herskende mantelstrøm i øvre mantel 2. Ingen dyp og sterk oppstrøm under midthavsryggene. Disse er passive plategrenser Trønnes (2010, Mineral. Petrol)

Semi-sylindriske konveksjonsceller er ikke en god modell. Vanlige lærebok-illustrasjoner: Tredimensjonalt: Er dette ”semi-sylindriske” strømmer ??!! Semi-sylindriske konveksjonsceller er ikke en god modell. - Dype og aktive oppstrømmer under midthavsryggene eksisterer ikke - Midthavsryggene er grunne (<300 km) fenomener med tilfeldig lokalisering (der lithosfærebrudd oppstår som følge av tensjon) - Hovedområdet for subduksjon de siste 200 Ma er det brede sirkum-polare (og sirkum-Pacifiske) beltet som er koplanært med Jordas rotasjonsakse Dziewonski et al. (2010, EPSL)

Hva driver platebevegelsen ?

Krefter som påvirker platebevegelsen - Lithosfæreplatene glir ned fra midthavsryggene, som rager 2-4 km høyere enn dyphavs.slettene - Litosfæreplatene er så tunge at de synker nedover langs subduksjonssonene. Dette er kanskje viktigst fordi plater med stor netto subuksjonslengde (i retning av platebevegelsen) har stor hastighet - Store kontinenter med dype lithosfærerøtter bremser platebevegelsen Trønnes (2010, Mineral. Petrol)

Jordas rotasjonsakse er knyttet til massefordelingen og geoiden Steinberger and Torsvik (2010, GGG) Virkelig rotasjonsakse: samlete massebidrag: LHO + subdusert masse i ØM og OS Beregnet rotasjonsakse kun fra LHO-bidragene (tungt og varmt materiale)

Sfærisk harmonisk analyse (SHA) Dziewonsky et al. (2010, EPSL) Sammenligning av seismisk tomografi i D” med en modell for lithosfære-oppsamling Seismisk tomografi: Subdusert lithosfære-model: Sfærisk harmonisk analyse (SHA) SHA-spektrum Akkumulert spektrum Tomographic models Tomografi- modeller Slab model Lithosfære-modell 2. grads topp 2. grad Preliminære konklusjoner 1. Det sterke 2. grads-mønsteret fra tomografien er kun i liten grad reprodusert av modellen for lithosfære-oppsamling (i 300 Ma) 2. D”-strukturen kan være urgammel (>>300 Ma, kanskje >4 Ga) Lithgow-Bertelloni & Richards (1998, Rev. Geophys.)

Hva er materialet i de to antipodale lavhastighetsområdene ? Basalt-dominert - separert fra subdusert lithosfære - stort alders-spenn: 0-4 Ga Peridotittisk (eller komatiittisk) med høyt Fe/Mg-forhold - kumulater fra magmahav-kystallisering eller smeltemateriale fra deloppsmelting på stort dyp - Hadeisk alder (sannsynligvis > 4.2 Ga)

LHO (LLSVP): ca. 300 km tykke - ofte bratte marginer Krav til det tunge materialet: - moderate tetthetskontrast (2-4 %) - høyere bulk modulus (stivhet) enn omgivende mantel - geokjemisk masse-balanse Garnero & McNamara (2008, Science) Høy termisk konduktivitet og lav termisk utvidelse i materialene kan bidra til å stabilisere de tunge antipodale områdene

Mantel-mineralogi Irifune & Tsuchiya (2007, Treatise on Geophys.) Ricolleau et al. (2010, JGR) Grocholsky et al. (2012, PNAS)

Materialet i lavhastighets-områdene Tetthet og stivhet for mineralene i peridotitt og basalt K0 (GPa) Mg-pv 230-260 Ca-pv 236 bløtest: ferroper. 158-152 (FeO-MgO) stivest: silica 314-325 (stish. - aPbO2) Basalt: høy r, høy K0 men silika-mineralene er lette Vanlig peridotitt: pv, fp, (Ca-pv) lavere r, lavere K0 Materialet i lavhastighets-områdene - fremdeles uavklart - kan være Hadeisk, f.eks. Fe-rike peridotitter (kumulater, dype smelte-produkter)

Nye fremskritt: 2004 – i dag Mineralogi og mineralfysikk Seismologi Teoretiske, første-ordens beregninger ("ab initio”) DFT – superdatamaskiner, numerisk løsning av Schrødinger-likningen Forbedret teknologi for høytrykks-eksperimentering bedre diamanter ved CVD-fabrikasjon, synkrotron-anlegg Seismologi Forbedret oppløsning i seismisk tomografi-eksperimenter OBS-nettverk - kartlegging av søylestrømmer Forbedret seismisk signalbehandling (”stacking”)

Geodynamikk Toneangivende "Oslo-gruppe”, Trond Torsvik et al. Kobling av platebevegelser på overflaten med strømningene i mantelen (seismisk tomografi, mineralfysikk, fluidmekanisk simulering) 4-dimensjonalt: rom og tid ( >300 Ma → Proterozoikum → Hadeikum ??) Toneangivende "Oslo-gruppe”, Trond Torsvik et al.

Meget generell konklusjon For alle stein-jern-planeter med flytende kjerner: Mantelen er "herren" – kjernen er "slaven" Sitat fra Dave Stevenson, Caltech D.v.s.: Viskositeten i mantelen begrenser konveksjon og varmetap fra den flytende ytre kjernen