In een onderzoek dat een nieuwe betekenis geeft aan de term "bodem, " seismische onderzoekers hebben de onderkant van een rotsachtige plaat van het aardoppervlak ontdekt, of lithosfeer, die meer dan 400 mijl onder het noordoosten van China is getrokken door het proces van tektonische subductie.

De studie, gepubliceerd door een team van Chinese en Amerikaanse onderzoekers in Natuur Geowetenschappen , biedt nieuwsbewijs over wat er gebeurt met waterrijke oceanische tektonische platen als ze door de aardmantel onder continenten worden getrokken.

Rice University seismoloog Fenglin Niu, een co-corresponderende auteur, zei dat de studie de eerste seismische beelden met hoge resolutie levert van de boven- en ondergrenzen van een rots, of lithosferisch, tektonische plaat in een sleutelgebied dat bekend staat als de mantelovergangszone, die ongeveer 254 mijl (410 kilometer) onder het aardoppervlak begint en zich uitstrekt tot ongeveer 410 mijl (660 kilometer).

"Veel studies suggereren dat de plaat veel vervormt in de mantelovergangszone, dat het zacht wordt, dus het is gemakkelijk vervormd, " zei Niu. Hoeveel de plaat vervormt of zijn vorm behoudt, is belangrijk om uit te leggen of en hoe deze zich vermengt met de mantel en wat voor soort koelend effect het heeft.

De aardmantel conveceert als warmte in een oven. Warmte uit de kern van de aarde stijgt op door de mantel in het centrum van oceanen, waar tektonische platen ontstaan. Vanaf daar, warmte stroomt door de mantel, afkoelt terwijl het naar continenten beweegt, waar het terugvalt naar de kern om meer warmte te verzamelen, stijg op en voltooi de convectieve cirkel.

Eerdere studies hebben de grenzen van subducterende platen in de mantel onderzocht, maar weinigen hebben dieper gekeken dan 125 mijl (200 kilometer) en geen enkele met de resolutie van de huidige studie, die meer dan 67, 000 metingen verzameld van 313 regionale seismische stations in het noordoosten van China. Dat werk, die werd gedaan in samenwerking met de China Earthquake Administration, werd geleid door co-corresponderende auteur Qi-Fu Chen van de Chinese Academie van Wetenschappen.

Het onderzoek peilt naar fundamentele vragen over de processen die het aardoppervlak gedurende miljarden jaren hebben gevormd. Mantelconvectie drijft de bewegingen van de aardplaten aan, stijve in elkaar grijpende stukken van het aardoppervlak die constant in beweging zijn terwijl ze boven op de asthenosfeer drijven, de bovenste mantellaag en het meest vloeibare deel van de binnenplaneet.

Waar tektonische platen elkaar ontmoeten, ze verdringen en malen samen, seismische energie vrijgeven. In extreme gevallen, dit kan verwoestende aardbevingen en tsunami's veroorzaken, maar de meeste seismische bewegingen zijn te zwak voor mensen om zonder instrumenten te voelen. Met behulp van seismometers, wetenschappers kunnen de omvang en locatie van seismische verstoringen meten. En omdat seismische golven in sommige soorten gesteente versnellen en in andere vertragen, wetenschappers kunnen ze gebruiken om afbeeldingen te maken van het binnenste van de aarde, op vrijwel dezelfde manier kan een arts echografie gebruiken om een ​​beeld te krijgen van wat er in een patiënt zit.

Niu, een professor van de aarde, milieu- en planetaire wetenschappen bij Rice, loopt al meer dan twee decennia voorop in seismische beeldvorming. Toen hij zijn Ph.D. training in Japan meer dan 20 jaar geleden, onderzoekers gebruikten dichte netwerken van seismische stations om enkele van de eerste gedetailleerde beelden van de verzonken plaatgrenzen van de Pacifische plaat te verzamelen, dezelfde plaat die werd afgebeeld in een studie die deze week werd gepubliceerd.

"Japan ligt ongeveer waar de Pacifische plaat een diepte van ongeveer 100 kilometer bereikt, " zei Niu. "Er zit veel water in deze plaat, en het produceert veel gedeeltelijke smelt. Dat produceert boogvulkanen die hebben bijgedragen aan het ontstaan ​​van Japan. Maar, we zijn nog aan het twijfelen of dit water op die diepte helemaal vrijkomt. Er zijn steeds meer aanwijzingen dat een deel van het water in de plaat blijft om veel te gaan, veel dieper."

Noordoost-China biedt een van de beste uitkijkpunten om te onderzoeken of dit waar is. De regio is ongeveer 1, 000 kilometer van de Japanse loopgraaf waar de Pacifische plaat zijn duik terug in het binnenste van de planeet begint. In 2009, met financiering van de National Science Foundation en anderen, Niu en wetenschappers van de Universiteit van Texas in Austin, de Chinese aardbevingsadministratie, het Earthquake Research Institute van de Tokyo University en het Research Center for Prediction of Earthquakes and Volcanic Eruptions van de Tohoku University in Japan begonnen met het installeren van breedbandseismometers in de regio.

"We hebben er 140 stations neergezet, en natuurlijk hoe meer stations hoe beter voor resolutie, " zei Niu. "De Chinese Academie van Wetenschappen heeft extra stations geplaatst zodat ze een fijnere, gedetailleerder beeld."

In de nieuwe studie gegevens van de stations onthulden zowel de boven- als ondergrenzen van de Pacifische plaat, onder een hoek van 25 graden binnen de mantelovergangszone. De plaatsing binnen deze zone is belangrijk voor de studie van mantelconvectie omdat de overgangszone onder de asthenosfeer ligt, op diepten waar verhoogde druk ervoor zorgt dat specifieke mantelmineralen dramatische faseveranderingen ondergaan. Deze fasen van de mineralen gedragen zich heel anders in seismische profielen, net zoals vloeibaar water en vast ijs zich heel verschillend gedragen, ook al zijn ze gemaakt van identieke moleculen. Omdat faseveranderingen in de mantelovergangszone plaatsvinden bij specifieke drukken en temperaturen, geowetenschappers kunnen ze gebruiken als een thermometer om de temperatuur in de mantel te meten.

Niu zei dat het feit dat zowel de boven- als onderkant van de plaat zichtbaar is, het bewijs is dat de plaat niet volledig is vermengd met de omringende mantel. Hij zei dat warmtekenmerken van gedeeltelijk gesmolten delen van de mantel onder de plaat ook indirect bewijs leveren dat de plaat een deel van zijn water naar de overgangszone heeft getransporteerd.

"Het probleem is om uit te leggen hoe deze hete materialen in het diepere deel van de mantel kunnen vallen, ' zei Niu. 'Het is nog steeds een vraag. Omdat ze heet zijn, ze zijn levendig."

Dat drijfvermogen zou moeten werken als een reddingsboei, omhoog duwen aan de onderkant van de zinkende plaat. Niu zei dat het antwoord op deze vraag zou kunnen zijn dat er gaten in de vervormende plaat zijn verschenen, waardoor de hotmelt kan rijzen terwijl de plaat zinkt.

"Als je een gaatje hebt, de smelt zal naar buiten komen, "zei hij. "Daarom denken we dat de plaat dieper kan gaan."

Gaten zouden ook het verschijnen van vulkanen zoals de Changbaishan op de grens tussen China en Noord-Korea kunnen verklaren.

"Het is 1, 000 kilometer verwijderd van de plaatgrens, " zei Niu. "We begrijpen het mechanisme van dit soort vulkaan niet echt. Maar smelt die opstijgt uit gaten in de plaat zou een mogelijke verklaring kunnen zijn."