bijna 1, 800 mijl onder het aardoppervlak, er zijn grote vreemde structuren op de loer aan de basis van de mantel, net boven de kern zitten. De mantel is een dikke laag hete, meestal plastic gesteente dat de kern omringt; bovenop de mantel is de dunne schil van de aardkorst. Op geologische tijdschalen, de mantel gedraagt ​​zich als een stroperige vloeistof, met vaste elementen die door de diepte zinken en stijgen.

De eerder genoemde vreemde structuren, bekend als ultra-lage snelheidszones (ULVZ's), werden voor het eerst ontdekt in 1995 door Don Helmberger van Caltech. ULVZ's kunnen worden bestudeerd door te meten hoe ze de seismische golven die er doorheen gaan veranderen. Maar observeren is niet noodzakelijkerwijs begrijpen. Inderdaad, niemand weet echt zeker wat deze structuren zijn.

ULVZ's worden zo genoemd omdat ze de snelheden van seismische golven aanzienlijk vertragen; bijvoorbeeld, ze vertragen schuifgolven (oscillerende seismische golven die door vaste lichamen kunnen bewegen) met maar liefst 30 procent. ULVZ's zijn enkele kilometers dik en kunnen honderden kilometers breed zijn. Verscheidene zijn verspreid in de buurt van de kern van de aarde, ruwweg onder de Pacific Rim. Anderen zijn geclusterd onder Noord-Amerika, Europa, en Afrika.

"ULVZ's bestaan ​​zo diep in de binnenaarde dat ze niet rechtstreeks kunnen worden bestudeerd, wat een grote uitdaging vormt bij het proberen te bepalen wat ze precies zijn, " zegt Helmberger, Smits Familie Hoogleraar Geofysica, Emeritus.

Aardwetenschappers van Caltech zeggen nu dat ze niet alleen weten waar ULVZ's van gemaakt zijn, maar waar ze vandaan komen. Met behulp van experimentele methoden bij hoge druk, de onderzoekers, onder leiding van hoogleraar minerale fysica Jennifer Jackson, hebben ontdekt dat ULVZ's bestaan ​​uit brokken van een magnesium/ijzeroxide mineraal genaamd magnesiowüstite dat zou kunnen zijn neergeslagen uit een magma-oceaan waarvan wordt gedacht dat het miljoenen jaren geleden aan de basis van de mantel heeft bestaan.

De andere leidende theorie voor de vorming van ULVZ's had gesuggereerd dat ze uit gesmolten materiaal bestaan, een deel ervan lekt mogelijk uit de kern.

Jackson en haar collega's, die verslag deden van hun werk in een recente krant in de Tijdschrift voor Geofysisch Onderzoek :Vaste aarde, vond bewijs ter ondersteuning van de magnesiowüstite-theorie door de elastische (of seismische) anisotropie van het mineraal te bestuderen; elastische anisotropie is een variatie in de snelheid waarmee seismische golven door een mineraal gaan, afhankelijk van hun reisrichting.

Een bijzonder ongebruikelijk kenmerk van de regio waar ULVZ's bestaan ​​- de kern-mantelgrens (CMB) - is dat deze zeer heterogeen (niet-uniform van karakter) en anisotroop is. Als resultaat, de snelheid waarmee seismische golven door de CMB reizen, varieert niet alleen op basis van het gebied waar de golven doorheen gaan, maar ook op basis van de richting waarin die golven bewegen. De voortplantingsrichting, in feite, kan de snelheid van de golven met een factor drie veranderen.

"Eerder, wetenschappers verklaarden de anisotropie als het resultaat van seismische golven die door een dicht silicaatmateriaal gaan. Wat we suggereren is dat in sommige regio's, het is grotendeels te wijten aan de uitlijning van magnesiowüstite binnen ULVZ's, " zegt Jackson.

Bij de drukken en temperaturen die aan het aardoppervlak worden ervaren, magnesiowüstite vertoont weinig anisotropie. Echter, Jackson en haar team ontdekten dat het mineraal sterk anisotroop wordt wanneer het wordt blootgesteld aan drukken die vergelijkbaar zijn met die in de lagere mantel.

Jackson en haar collega's ontdekten dit door een enkel kristal van magnesiowüstite in een diamanten aambeeldcel te plaatsen, wat in wezen een kleine kamer is die zich tussen twee diamanten bevindt. Wanneer de stijve diamanten tegen elkaar worden gedrukt, de druk in de kamer stijgt. Jackson en haar collega's bombardeerden het monster vervolgens met röntgenstralen. De interactie van de röntgenstralen met het monster fungeert als een proxy voor hoe seismische golven door het materiaal zullen reizen. Bij een druk van 40 gigapascal - gelijk aan de druk aan de onderste mantel - was magnesiowüstite significant meer anisotroop dan seismische waarnemingen van ULVZ's.

Om objecten te maken die zo groot en sterk anisotroop zijn als ULVZ's, slechts een kleine hoeveelheid magnesiowüstite-kristallen hoeft in één specifieke richting te worden uitgelijnd, waarschijnlijk door het uitoefenen van druk van een sterke kracht van buitenaf. Dit kan worden verklaard door een subductie van de aardkorst die zich een weg baant naar de CMB, zegt Jackson. (Subductie vindt plaats op bepaalde grenzen tussen de tektonische platen van de aarde, waar de ene plaat onder de andere duikt, veroorzaakt vulkanisme en aardbevingen.)

"Wetenschappers zijn nog steeds bezig te ontdekken wat er met de korst gebeurt wanneer deze in de mantel wordt ondergedompeld, " zegt Jackson. "Een mogelijkheid, die ons onderzoek nu lijkt te ondersteunen, is dat deze platen helemaal naar beneden duwen tot aan de kern-mantelgrens en helpen om ULVZ's te vormen."

Volgende, Jackson is van plan de interactie van subductieplaten te onderzoeken, ULVZ's, en hun seismische handtekeningen. Het interpreteren van deze functies zal helpen om beperkingen op te leggen aan processen die vroeg in de geschiedenis van de aarde plaatsvonden, ze zegt.

De studie is getiteld "Sterk anisotrope magnesiowüstite in de onderste mantel van de aarde."