Hur viktig är kemisk bandning i jordens inre? Hypotesprovning genom användning av seismisk anisotropi

Tidsperiod:

1 januari 2019 – 31 december 2023

Projektledare:

Bjarne Almqvist

Projektdeltagare:

Sandra Piazolo, Tomas Lokajicek, Mattia Pistone, David Mainprice, Hem Bahadur Motra

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

3 600 000 SEK

Seismiska vågor har bidragit till den största delen av vår kunskap om jordens inre struktur, värmefördelning and kemiska sammansättning. Ett intressant fenomen som observerats i flera delar av jordens inre, från den solida delen av kärnan till den yttersta delen av skorpan, är att våghastigheter är riktningsberoende, eller så kallade seismiskt anisotropa. Orsaker till seismisk anisotropi är flera, med källor från mineraltextur som bildas genom materialflöde, formation av sprickzoner, orienterade linser av vätskor, och lagerföljder med olika elastiska egenskaper. Anisotropi påvisar därför unik information om geodynamiska processer i jordens inre, samt dess struktur och reologi. Metodutvecklingen inom seismologi har sedan 1980-talet lett till att jordens inre kan karteras i större detalj med seismiska vågor, med en avsevärt bättre upplösning av aniostropi. Både kroppsvågor och ytvågor kan användas för att bestämma seismiska vågors riktningsberoende, eller så kallad seismisk anisotropi. Av de globala data som samlats in framgår det tydligt att stora delar av den lägre kontinentalskorpan visar stark anisotropi, vilket har lett till att ett antal hypoteser har formulerats om deras ursprung. Bland annat har viskoplastisk deformation föreslagits för att orientera mineral (kallad textur). Deformationszoner i den lägre skorpan, manteln och kärnan, kan på så vis ge upphov till anisotropi. Denna effekt kallas för ”inneboende” och relaterar tills minerals egna, eller mineralaggregatets, elastiska anisotropi. En förklaring för anisotropi härrör från laminering eller kemisk bandning av bergarter, vilken bildas genom olika geologiska processer, så som metamorf segregering av mineral i skikt, fraktionerad kristallisation och kristall sedimentering i magmatiska kammare, samt biokemiska processer i sedimentära bergarter. Denna effekt kallas för ”yttre” eller ”skenbar” anisotropi. Seismologiskt sett är det svårt att skilja på dessa effekter.I detta projekt avser vi att specifikt testa källor som leder till seismisk anisotropi. Detta görs genom detaljerat fältarbete och insamling av prover som är representativa för deformerade och lagrade bergarter, med fokus på den djupare skorpan. En ypperligt väl exponerad region av lägre skorpan finns i norra Italien (Ivrea-Verbano Zone), vilket är en av de platser där vi kommer utföra insamling av prover. De centrala delarna av Skanderna är också en bra plats att studera deformerade, lagrade bergarter där vi sedan tidigare samlat in prover. Ytterligare kommer vi studera lokaler från exponerade delar av forna magmatiska kammare, kallade lagrade intrusioner, i Sydafrika, på Grönland och i västra USA. För sedimentära bergarter kommer vi fokusera på bandade järnformationer i Kanada, USA och Sydafrika, vilket är intressanta utifrån deras kontrasterande elastiska egenskaper. Detaljerade analyser och kvantifiering av mikrostruktur och textur görs, vilka kan användas för att beräkna seismiska hastigheter. Tidigare beräknad seismisk anisotropi från granuliter i Nya Zealand visar att kemisk bandning kan vara en viktig bidragande effekt till anisotropi i de djupare delarna av skorpan. Resultat från denna modellering kan sedan användas för att beräkna seismiska hastigheter och riktningsberoende. Laboratoriemätningar används för att mäta våghastigheter och deras riktningsberoende i prover, på tryck och temperaturer som representerar de djupare delarna av jordskorpan. Dessa mätningar är nödvändiga för att testa resultat som erhållits from modellering. I den sista delen av projektet skalerar vi upp från den mikroskopiska skalan, till skiktning som kan observeras på regional skala. Resultat integreras i uppskaleringen för att ta i hänsyn till både mikroskopiska och makroskopiska effekter. Med denna metodik ämnar vi att ge en bättre förståelse för dels skorpans djupare struktur och kemiska komposition, vilket är en grundläggande aspekt i vår förståelse av kontinentalskorpans utveckling. Dock kan samma metodologi användas för att förstå seismisk anisotropi i andra delar av jorden, så som manteln och jordens inre kärna, som inte är fysiskt tillgängliga och där källan till seismisk anisotropi är dåligt förstådd.