Et internasjonalt forskerteam ledet av Göttingen-universitetet har undersøkt en bergart fra Papua Ny-Guinea som gir nye opplysninger om forholdene dypt under jordoverflaten. Forskerne mener steinen beveget seg mer enn 90 kilometer ned i bakken for omtrent fire millioner år siden.

På veien ble den utsatt for uvanlig høye temperaturer på grunnere dyp, før den kom inn i et område med et relativt kjøligere subduksjonsmønster. Funnene ble publisert i tidsskriftet Nature Geoscience.

Spor etter en reise dypt under bakken

Jordens ytterste skall består av enorme tektoniske plater som beveger seg langsomt. Når to plater kolliderer, kan den ene bli presset under den andre og synke ned i jordens indre. Denne prosessen kalles subduksjon.

Subduksjonssoner er knyttet til kraftige jordskjelv og vulkansk aktivitet. De bidrar også til å regulere jordens klima over millioner av år ved å føre materialer, blant annet karbondioksid, gjennom jordens indre.

Det enorme trykket i slike soner kan forvandle bergarter til et særpreget rødt og grønt materiale som kalles eklogitt. Forskerne analyserte en slik bergart fra Papua Ny-Guinea ved hjelp av flere avanserte metoder.

Inne i bergarten fant de ørsmå krystaller av koesitt, et mineral som bare kan dannes under svært høyt trykk. Krystallene var blitt innkapslet i et annet mineral da bergarten ble dannet, og fungerte dermed som spor etter forholdene den hadde vært utsatt for dypt under bakken.

Analysene viste at bergarten hadde sunket minst 90 kilometer under jordoverflaten. Der nådde temperaturen omtrent 800 grader Celsius.

Ble nesten like varm på halvparten av dypet

Forskerne rekonstruerte deretter temperaturhistorien til bergarten. På omtrent 45 kilometers dyp hadde temperaturen allerede nådd rundt 700 grader Celsius.

Det betyr at bergarten bare var cirka 100 grader kaldere på halvparten av sitt maksimale dyp, selv om den fortsatt hadde 45 kilometer igjen å synke.

Dette var uventet fordi dagens modeller for subduksjonssoner forutsier en annen fordeling av varmen. Bergarten ser ut til å ha vært utsatt for svært varme forhold på grunnere dyp, før den kom inn i et miljø med et relativt kjøligere temperaturmønster lenger nede.

Den faktiske temperaturen fortsatte riktignok å øke med dybden. Oppvarmingen gikk imidlertid langt saktere enn forskerne normalt ville forventet.

«Finding this change from hot to cold subduction was unexpected as this contradicts our current thermal models of subduction zones», sier Dr. Jan Schönig ved Göttingen-universitetets geovitenskapssenter.

Forskere har tidligere funnet bergarter som viser tegn til uventet høye temperaturer. Dette er likevel første gang de har klart å rekonstruere en så tydelig overgang mellom ulike termiske forhold mens en bergart sank fra grunnere til langt større dyp.

Flere mulige forklaringer

Forskerne har identifisert flere mulige forklaringer på det uvanlige temperaturmønsteret.

Én mulighet er at tektoniske plater utvikler betydelig mer varme på relativt grunne dyp enn man hittil har antatt. Når platene beveger seg mot hverandre, kan sterke skjærkrefter skape ekstra oppvarming langs plategrensene.

En annen forklaring er at subduksjonssonen ennå ikke hadde eksistert lenge nok til å utvikle de kjøligere temperaturene som vanlige modeller forutsier. Begge prosessene kan også ha bidratt til bergartens spesielle temperaturhistorie.

Mer presise temperaturmodeller kan gjøre det lettere å vurdere forholdene som er forbundet med jordskjelv og vulkansk aktivitet. Funnene kan også gi bedre forståelse av viktige geokjemiske kretsløp, særlig det langsiktige karbonkretsløpet.

Karbonkretsløpet bidrar til å regulere klimaet ved å flytte karbon mellom jordoverflaten og planetens indre. Ved å vise hvordan forholdene endrer seg når tektoniske plater synker, gir oppdagelsen forskerne en ny måte å undersøke hvordan subduksjon har fungert over millioner til milliarder av år.

Studien ble finansiert av den tyske forskningsstiftelsen DFG.