Wanneer een aardbeving toeslaat, nabijgelegen seismometers vangen de trillingen op in de vorm van seismische golven. Naast het onthullen van het epicentrum van een aardbeving, seismische golven kunnen wetenschappers een manier geven om de interne structuren van de aarde in kaart te brengen, net zoals een CT-scan het lichaam in beeld brengt.

Door de snelheid te meten waarmee seismische golven op verschillende diepten reizen, wetenschappers kunnen de soorten rotsen en andere materialen bepalen die onder het aardoppervlak liggen. De nauwkeurigheid van dergelijke seismische kaarten hangt af van het inzicht van wetenschappers in hoe verschillende materialen de snelheden van seismische golven beïnvloeden.

Nu hebben onderzoekers van het MIT en de Australian National University ontdekt dat seismische golven in wezen blind zijn voor een veel voorkomende substantie die overal in het binnenste van de aarde wordt aangetroffen:water.

Hun bevindingen, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , gaan in tegen de algemene veronderstelling dat seismische beeldvorming tekenen van water diep in de bovenmantel van de aarde kan oppikken. In feite, het team ontdekte dat zelfs sporen van water geen effect hebben op de snelheid waarmee seismische golven reizen.

De resultaten kunnen wetenschappers helpen seismische kaarten van het binnenste van de aarde te herinterpreteren. Bijvoorbeeld, op plaatsen zoals midoceanische ruggen, magma van diep in de aarde barst uit door enorme scheuren in de zeebodem, verspreidt zich weg van de rand en stolt uiteindelijk als nieuwe oceanische korst.

Door het smeltproces op tientallen kilometers onder het oppervlak worden kleine hoeveelheden water verwijderd die zich op grotere diepte in rotsen bevinden. Wetenschappers hebben gedacht dat seismische beelden deze "nat-droog" overgang lieten zien, overeenkomend met de overgang van stijve tektonische platen naar vervormbare mantel eronder. Echter, de bevindingen van het team suggereren dat seismische beeldvorming tekenen van geen water kan oppikken, maar liever, smelten - kleine zakjes gesmolten gesteente.

"Als we zeer sterke variaties [in seismische snelheden] zien, het is waarschijnlijker dat ze gaan smelten, " zegt Ulrich Faul, een onderzoekswetenschapper in het MIT's Department of Earth, Sfeervol, en Planetaire Wetenschappen. "Water, op basis van deze experimenten, is in die zin geen grote speler meer. Dit zal de manier waarop we beelden van het binnenste van de aarde interpreteren, veranderen."

Faul's co-auteurs zijn hoofdauteur Christopher Cline, samen met Emmanuel David, Andreas Bes, en Ian Jackson, van de Australische Nationale Universiteit.

Een seismische draai

fout, Cline, en hun collega's waren oorspronkelijk bedoeld om te bepalen hoe water de snelheden van seismische golven precies beïnvloedt. Ze gingen ervan uit, zoals de meeste onderzoekers hebben, dat seismische beeldvorming water kan "zien", in de vorm van hydroxylgroepen in individuele mineraalkorrels in gesteenten, en als waterzakken op moleculaire schaal die tussen deze korrels zijn opgesloten. Water, zelfs in kleine hoeveelheden, is bekend dat rotsen diep in het binnenste van de aarde verzwakken.

"Het was bekend dat water in zeer kleine hoeveelheden een sterk effect heeft op de eigenschappen van gesteenten, " zegt Faul. "Vanaf daar, de conclusie was dat water ook de snelheden van seismische golven aanzienlijk beïnvloedt."

Om te meten in hoeverre water de snelheden van seismische golven beïnvloedt, het team produceerde verschillende monsters van olivijn - een mineraal dat het grootste deel van de bovenmantel van de aarde vormt en de eigenschappen ervan bepaalt. Ze vingen verschillende hoeveelheden water op in elk monster, en plaatste de monsters één voor één in een machine die is ontworpen om langzaam een ​​rots te draaien, vergelijkbaar met het draaien van een rubberen band. De experimenten werden gedaan in een oven bij hoge drukken en temperaturen, om omstandigheden diep in de aarde te simuleren.

"We draaien het monster aan het ene uiteinde en meten de grootte en tijdvertraging van de resulterende spanning aan het andere uiteinde, ', zegt Faul. 'Dit simuleert de voortplanting van seismische golven door de aarde. De omvang van deze stam is vergelijkbaar met de breedte van een dun mensenhaar - niet erg gemakkelijk te meten bij een druk van 2, 000 keer atmosferische druk en een temperatuur die de smelttemperatuur van staal benadert."

Het team verwachtte een correlatie te vinden tussen de hoeveelheid water in een bepaald monster en de snelheid waarmee seismische golven zich door dat monster zouden voortplanten. Wanneer de eerste monsters niet het verwachte gedrag vertoonden, de onderzoekers hebben de samenstelling aangepast en opnieuw gemeten, maar ze kregen steeds hetzelfde negatieve resultaat. Uiteindelijk werd het onvermijdelijk dat de oorspronkelijke hypothese niet klopte.

"Van onze [draaiende] metingen, de rotsen gedroegen zich alsof ze droog waren, hoewel we het water daarbinnen duidelijk konden analyseren, " zegt Faul. "Op dat moment, we wisten dat water geen verschil maakt."

Een steen, ingekapseld

Een andere onverwachte uitkomst van de experimenten was dat de snelheid van de seismische golf bleek af te hangen van de oxidatietoestand van een gesteente. Alle gesteenten op aarde bevatten bepaalde hoeveelheden ijzer, bij verschillende oxidatietoestanden, net zoals metallisch ijzer op een auto kan roesten bij blootstelling aan een bepaalde hoeveelheid zuurstof. De onderzoekers vonden, bijna onbedoeld, dat de oxidatie van ijzer in olivijn invloed heeft op de manier waarop seismische golven door de rots reizen.

Cline en Faul kwamen tot deze conclusie nadat ze hun experimentele opstelling opnieuw moesten configureren. Om hun experimenten uit te voeren, het team omhult elk gesteentemonster meestal in een cilinder gemaakt van nikkel en ijzer. Echter, bij het meten van het watergehalte van elk monster in deze cilinder, ze ontdekten dat waterstofatomen in water de neiging hadden om uit de rots te ontsnappen, door de metalen behuizing. Om waterstof te bevatten, ze schakelden hun behuizing over op een behuizing van platina.

Tot hun verbazing ontdekten ze dat het type metaal rond de monsters hun seismische eigenschappen beïnvloedde. Afzonderlijke experimenten toonden aan dat wat in feite veranderde de hoeveelheid Fe3+ in olivijn was. Normaal gesproken is de oxidatietoestand van ijzer in olivijn 2+. Zoals het blijkt, de aanwezigheid van Fe3+ veroorzaakt onvolkomenheden die de seismische golfsnelheden beïnvloeden.

Faul zegt dat de bevindingen van de groep suggereren dat seismische golven kunnen worden gebruikt om oxidatieniveaus in kaart te brengen, zoals bij subductiezones - gebieden in de aarde waar oceanische platen in de mantel zinken. Op basis van hun resultaten, echter, seismische beeldvorming kan niet worden gebruikt om de verdeling van water in het binnenste van de aarde in beeld te brengen. Wat sommige wetenschappers als water interpreteerden, kan in feite smelten zijn - een inzicht dat ons begrip van hoe de aarde haar tektonische platen in de loop van de tijd verschuift, kan veranderen.

"Een onderliggende vraag is wat tektonische platen op aarde smeert, Faul zegt. "Ons werk wijst op het belang van kleine hoeveelheden smelt aan de basis van tektonische platen, in plaats van een natte mantel onder droge platen. Over het algemeen kunnen deze resultaten helpen om vluchtige cycli tussen het binnenste en het aardoppervlak te verlichten."