Vi vet att marken vi går på är gjord av solid sten (om vi inte råkar hamna i kvicksand …). Men hur är det med jordlagren lite djupare under våra fötter?
Den inre delen av jorden består av flera lager. Planetens yta, där vi bor, kallas skorpan – den är faktiskt ett mycket tunt lager, bara 70 kilometer djupt på den tjockaste punkten. Skorpan och litosfären under den (skorpan plus den övre manteln) består av flera ”tektoniska plattor”. Dessa rör sig långsamt över planetens yta, och de flesta av jordens vulkaner och jordbävningar inträffar vid gränserna mellan de tektoniska plattorna.
Djupt inne i planetens centrum finns den ”inre kärnan”, som vi tror är gjord av fast järn och nickel. Den är omgiven av den ”yttre kärnan”, som också består av järn och nickel, men som är smält. Konvektionsströmmar i den yttre kärnan skapar jordens magnetfält.
Och mellan den yttre kärnan och skorpan finns manteln, som med sin tjocklek på cirka 2 900 kilometer utgör huvuddelen (cirka 84 volymprocent) av planeten. Den konvektiva manteln bär jordens inre värme till ytan och kryper som tjära en varm dag. Denna omvälvning är den ”motor” som driver vår dynamiska jord – det är den som gör vår planets geologi så intressant, eftersom den möjliggör förflyttning av tektoniska plattor. Utan den skulle vi inte ha vulkaner, jordbävningar … och faktiskt skulle jorden inte kunna upprätthålla liv.
Det är manteldynamikens mysterier som den australiensiska vetenskapsakademin 2018 års Anton Hales-medaljör, dr Rhodri Davies, ägnar sin tid åt att undersöka.
Han använder avancerade datavärdskap för att utveckla modeller för manteldynamik, vilket hjälper oss att förstå mantelns beteende och hur den påverkar jordytan. Dessa modeller kombinerar storskaliga geofysiska och geokemiska dataset med kunskap om hur enskilda mineraler beter sig under vissa temperatur- och tryckförhållanden för att belysa mantelns struktur, ge begränsningar för hur manteln flyter och visa hur detta flöde driver vulkanism och andra funktioner på ytan.
Vi vet att de flesta av jordens vulkaner ligger vid tektoniska plattgränser, där plattor:
- flyttar sig isär, vilket för närvarande sker mellan Australien och Antarktis
- flyttar sig mot varandra och den ena glider tillbaka in i den underliggande manteln, vilket sker vid den norra kanten av Australiens tektoniska platta under Papua Nya Guinea och Indonesien
- glider förbi varandra, vilket sker vid den beryktade San Andreas-förkastningen i Kalifornien.
Vissa vulkaner ligger dock inom tektoniska plattor, långt ifrån dessa gränsdragningsprocesser. Dessa kallas för vulkaner inom plattan. Många av dessa orsakas av mantelplymer – regioner av heta bergarter som strömmar uppåt från jordens gräns mellan kärna och mantel mot jordens yta. När de gör det bär de med sig smält bergmaterial som innehåller ett budskap från jordens djupa mantel, ett budskap som dr Davies arbete gör det möjligt för oss att dechiffrera. Detta har bidragit till att befästa teorier om de processer som skapar vulkaniska ökedjor inom plattan.
Han har till exempel kombinerat observationer från flera områden för att visa att vulkaniska kedjor i Australien bildades när den australiska tektoniska plattan drev norrut över flera mantelplymer. Detta resulterade i en kedja av vulkaner som korsar kontinenten från norr till söder och som bildades för mellan 34 och 9 miljoner år sedan. Tro det eller ej, men den numera tektoniskt sömniga australiensiska kontinenten rymmer ett av världens mest omfattande vulkanområden inom plattan, med utbrott på fastlandet så sent som för cirka 5 000 år sedan.
Hawaii-arkipelagen tros ha bildats genom en liknande process. Hawaii ligger vid den sydöstra gränsen av en kedja av vulkaner och nedsänkta undervattensberg som blir allt äldre mot nordväst. Denna kedja delar sig i två delar vid ön Oahu och Davies och hans grupp fann nyligen att denna delning skedde på grund av en förskjutning i Stillahavsplattans riktning för ungefär tre miljoner år sedan.
Incorporering av alla dessa faktorer för att skapa modeller av hur manteln beter sig förbättrar vår förståelse av hur vår planet fungerar. Detta hjälper oss att förklara de processer som resulterar i jordens unika och spektakulära geologi och gör det möjligt för oss att bättre förstå planetens utveckling sedan den bildades för mer än 4,5 miljarder år sedan.