Det foregår en kontinuerlig varmestrøm fra Jordens flytende kjerne av jern til de nedre delene av mantelen. Termisk utvidelse av steinmassene nederst i mantelen gjør at lett og varmt (men ikke flytende) materiale stiger mot overflaten i uregelmessige pulser. «Boblene» utvikler seg til pølselignende strømmer med et stort hode øverst. Nært Jordens overflate er trykket så lavt at noe av det varme materialet i hodet smelter, og dermed kan det oppstå korte perioder med intens vulkanisme. Jordens geologiske utvikling med episodisk fjellkjededannelse og gigantiske vulkanskutbrudd styres trolig av omveltningene nær grensen mellom kjernen og mantelen.
Jordens indre struktur
Jordskorpen, med tykkelse som varierer fra 5 til 70 km, tynnest under havene, tykkest under Tibet, utgjør en svært liten del av Jordens radius på 6371 km. En fast steinmantel ligger utenfor en kjerne som er dominert av jern. Den ytre kjernen (2890-5150 km) er flytende, mens den indre kjernen er fast. Under trykk som svarer til de vi finner på grensen mellom kjernen og mantelen, er smeltepunktet for stein minst 2500 °C høyere enn for jern, noe som forklarer hvorfor den ytre kjernen er flytende. Den indre kjernen er fast fordi smeltepunktet stiger når trykket øker.
Store jordskjelv forårsaker lydbølger som forplanter seg tvers gjennom de ulike delene av Jordens indre. Moderne seismiske registreringer, hvor vi har nøyaktige tidsangivelser for bølger som beveger seg langs forskjellige baner, gir god informasjon om Jordens indre struktur. Vi skiller mellom to ulike bølgetyper, trykkbølger (P-bølger) og skjærbølger (S-bølger), og som vist i figuren øker bølgehastighetene parallelt med tettheten innover i mantelen. Skjærbølgene kan bare gå gjennom fast stoff, og går dermed ikke gjennom den flytende kjernen.
De brå hastighetssprangene høyt oppe i mantelen, ved 410 km og 660 km (det rosa intervallet), avgrenserovergangssonen som skiller det vi kaller den øvre og den nedre mantelen. I den aller øverste delen av den øvremantelen – under den stive og ca. 100 km tykke lithosfæren (jordplaten) – er det en lavhastighetssone som kalles asthenosfæren. Her begynner steinen så vidt å smelte.
Det nederste 200-300 km tykke laget i mantelen på overgangen mot kjernen har fått betegnelsen D». Navnet har overlevd fra bokstavkodingen som ble innført av geofysikeren Keith E. Bullen i 1940. Overgangen til D» markeres ved et hastighetssprang for S-bølgene.
Mineralet olivin dominerer i den øvre mantelen (over grenseflaten på 410 km dyp). I overgangssonen (410-660 km) opptrer to ulike høytrykksvarianter av olivin sammen med mineralet granat. Omtrent 80 % av den nedremantelen består av mineralet perovskitt med MgSiO3-dominert sammensetning.
Perovskitt ble syntetisert ved Australian National University i 1974. I de neste 30 årene trodde de fleste høytrykksmineraloger at perovskitt ville være stabilt helt ned til Jordens kjerne. Seismologene fant derimot flere gåtefulle grenseflater i D»-laget. Rundt 1980 begynte de å få en mistanke om at det fantes andre høytrykksmineraler i dette området, men slike tanker ble møtt med likegyldighet hos mineralogene.
Mineralovergang fra perovskitt til post-perovskitt
I 2004 oppdaget japanske høytrykksmineraloger at perovskitt (pv) faktisk går over til et annet mineral ved overgangen til D»-laget. Foreløpig kalles dette mineralet post-perovskitt (ppv). Oppdagelsen ble muliggjort ved en kombinasjon av teknisk krevende eksperimenter og teoretiske beregninger.
Post-perovskitt blir stabilt når trykket øker, fordi mineralet har mindre volum enn perovskitt. Trykket, og dermed dypet, der mineralovergangen foregår, er imidlertid svært følsomt for variasjoner i temperaturen. Høye temperaturer favoriserer pv i forhold til ppv. Den store temperaturøkningen gjennom D»-sonen gjør pv stabilt igjen helt nederst mot kjernen. Overgangene fra pv til ppv og tilbake til pv svarer til seismiske observasjoner av en øvre og en nedre grenseflate. Dypet til disse grenseflatene varierer med temperaturen, og i de varmeste områdene er ikke post-perovskitt stabilt i det hele tatt. Dette vil favorisere dannelsen av pv-dominert termisk oppdrift like over kjernen.
Oppdagelsen av faseovergangen til post-perovskitt gjorde det mulig å forklare mesteparten av de gåtefulle seismologiske observasjonene. Dette gjennombruddet førte til en kraftig revitalisering av seismologisk og høytrykksmineralogisk forskning. Samtidig er det gjort viktige paleogeografiske og geokjemiske observasjoner som kobler dagens varmetransport og bevegelser i D»-laget med Jordens tidlige utvikling. Det mineralogiske gjennombruddet i 2004 har dermed startet en kunnskapsrevolusjon som vi nå er midt inne i.
Planetær dynamikk
Varmeutviklingen i Jordens indre bestemmes av hvordan varmen transporteres. Materialegenskapene i den nedre mantelen kontrollerer varmeoverføringen fra kjernen, og dermed også strømningsmønsteret av flytende jern i denytre kjernen, samt krystallisasjonen av jern ved overflaten av den indre, faste kjernen. Jordens magnetfelt blir indusert av strømmene i kjernen og styres også av denne varmeoverføringen. Vi kan si at mantelen er herren og kjernen er slaven.
Varmestrøm i form av massetransport (konveksjon) er viktigst i Jordens flytende indre. Ved grenseflater som er ugjennomtrengelige for massetransport har vi (konduksjon).
Overgangen mellom mantel og kjerne, der tettheten stiger fra 5,5 til 9,9 tonn/m3, er det mest markerte grenselaget i Jorden.
D»-laget nederst i mantelen har store variasjoner i tykkelse, materialer og struktur. Temperaturen stiger fra 2500 til 4000 °C, og D»-laget er derfor et nøkkelområde for Jordens indre dynamikk og geologiske utvikling. Temperatur- og tetthetskontrastene forårsaker termisk oppdrift og søylestrømmer som baner seg vei mot overflaten og danner store basaltprovinser og annen intraplate-vulkanisme.
Jordens mantel domineres av mineralet perovskitt og lavt jerninnhold og er derfor forholdsvis lett. Havbunnskorpe, derimot, består av basaltiske bergarter som har et høyt jerninnhold og derfor er forholdsvis tung. Havbunnskorpen, som utgjør omtrent ti prosent av havbunnsplatene og glir ned i mantelen i subduksjonssonene, synker derfor ned gjennom mantelen og ender opp ved kjernegrensen.
Paleogeografiske rekonstruksjoner
Helt siden 1980-tallet har det vært kjent at variasjonen i seismisk skjærbølgehastighet i den nederste delen av mantelen danner et enkelt mønster. To områder, under Stillehavet og under Afrika, har lav bølgehastighet.
Mellom disse to lavhastighetsområdene finnes et belte med høye hastigheter under områder som har hatt subduksjon de siste 300 millioner år. Ny forskning har vist at store basaltprovinser dannet gjennom de siste 300 millioner år lå over periferien til lavhastighetsområdene da vulkanismen foregikk. Dette tyder på at disse partiene har vært stabile i lang tid og må ha høyere tetthet enn den omliggende mantelen. De er trolig anriket på basaltisk materiale, og den lave seismiske hastigheten skyldes en kombinasjon av høy tetthet og redusert stivhet, relatert til høy temperatur.
Mineralenes volumutvidelse ved økende temperatur er grunnlaget for termisk konveksjon i mantelen. Oppvarmet materiale nederst mot kjernegrensen vil derfor stige oppover. Kjerne-mantel-grensen representerer en kraftig «kokeplateeffekt», et såkalt termisk grenselag, og randsonene til lavhastighetslagene under Afrika og Stillehavet utgjør en ekstra kokeplateeffekt fra et termisk grenselag. Termiske oppdriftsbobler vil lett dannes langs slike randsoner. Seismologiske undersøkelser støtter denne modellen.
En modell for Jordens dype indre
Et forenklet og skjematisk ekvatorsnitt gjennom Jorden gir en forenklet syntese av det bildet vi har av Jordens indre struktur og dynamikk i 2008. Forskningen på dette området er inne i en gullalder, og vi kan forvente en rask kunnskapsutvikling drevet av teknologiforbedring, nysgjerrighet, konkurranse og interdisiplinær samvirkning. På terskelen til en mer fullstendig innsikt i Jordens dype indre ser vi mer enn noen gang verdien av samarbeid og kommunikasjon mellom forskere i seismologi, geomagnetisme, mineralogi, materialfysikk og geokjemi.
Skrevet av Reidar G. Trønnes