En banebrytende tur for å bore i steiner på bunnen av Atlanterhavet har gitt forskerne deres beste innblikk i hvordan jorden kan se ut under jordskorpen.

Forskere har samlet en nesten ubrutt 1268 meter lang prøve av grønn, marmorlignende stein fra et område der jordkappen – det tykke, indre laget som utgjør mer enn 80 % av planeten – har trengt gjennom havbunnen. Prøvene, som finner sted 8. augustVitenskaper beskrevet gir enestående innsikt i prosessene som fører til skorpedannelse.

«Vi hadde denne historien i hodet» om hvordan slike steiner skulle se ut, men det er helt annerledes når «du ser det der på et bord», sier Natsue Abe, petrolog ved Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology i Yokohama.

Ekspedisjonens prestasjoner er en "fantastisk milepæl," sier Rosalind Coggon, en marin geolog ved University of Southampton, Storbritannia. "Havboring gir den eneste tilgangen til prøver fra dypt inne i jorden, som er avgjørende for å forstå dannelsen og utviklingen av planeten vår."

Scientists in hard hats and face masks examine core samles in a lab on board JOIDES Resolution research vessel

Jordens oseaniske mantel - den typen skorpe som hovedsakelig finnes under jordens hav i stedet for under kontinentene - består hovedsakelig av tett, vulkansk stein kalt basalt. Den er mye tynnere og yngre enn den kontinentale skorpen fordi bergartene kontinuerlig resirkuleres gjennom bevegelsene til tektoniske plater.

Basalt dannes når magma presser seg opp gjennom undersjøiske sprekker langs midthavsrygger. Selve magmaet kommer fra en prosess som kalles delvis smelting i mantelen – som i stor grad består av gjennomskinnelige, grønne, magnesiumrike mineraler. Når materialet stiger i mantelen, faller trykket over det, noe som får noen av disse mineralene til å smelte og danne mikroskopiske filmer av magma mellom bergkrystaller.

Normalt bryter bare magma ut på havbunnen. Men noen steder kommer mantelbergarten også til overflaten, hvor den kommer i kontakt med sjøvann i en reaksjon som kalles serpentinisering. Dette endrer strukturen til bergarten – gir den et marmorlignende utseende – og frigjør ulike stoffer, inkludert hydrogen.

Lett å bore

Besøkt i mai 2023JOIDES Oppløsninget sted hvor dette skjedde: et undersjøisk fjell kalt Atlantis-massivet, som ligger vest for midthavsryggen i Atlanterhavet. Det 143 meter lange skipet er utstyrt med en 62 meter høy kran for undervannsboring.

Det bestemte forskerne om bord Lost City å bore, en plassering på sørsiden av massivet. Regionen er preget av hydrotermiske ventiler der mikrobielle ekstremofiler bruker det unnslippende hydrogenet.

"Vi planla bare å bore 200 meter fordi det var det dypeste stedet mennesker noen gang hadde klart å bore i mantelstein," sier Johan Lissenberg, petrolog ved Cardiff University, Storbritannia. But the drilling was surprisingly easy and three times faster than usual, and it returned long, unbroken cylinders of rock called cores. "Så vi bestemte oss for å fortsette," sier Lissenberg. Teamet stoppet først da ekspedisjonen ble avsluttet i henhold til planen.

Forskerne har nå publisert sine første resultater. "Det vi rapporterer er bokstavelig talt hva du kan gjøre på skipet. Et team på 30 forskere gransker over kjernene dag og natt i to måneder, og dokumenterer, tomme for tomme, hvordan de kommer opp."

Deep-sea drilling: Diagram showing how researchers on a ship drilled into rock that originated in the Earth's mantle.

Da forskere undersøkte bergartens struktur i detalj, la de merke til "skrå trekk", en karakteristisk signatur av den rådende teorien om hvordan magma skiller seg fra mantelen for å bli en del av skorpen, sier Lissenberg. Mantelbergarten var også ispedd andre typer stein i kjernene, noe som tyder på at mantel-skorpegrensen ikke er så skarp som seismografiske data vanligvis antyder, sier Jessica Warren, en geokjemiker ved University of Delaware i Newark. Disse resultatene sammen "er avgjørende for hvordan vi forstår dannelsen av tektoniske plater i havene," sier hun.

Uviss fremtid

Turen avslutter en verdig fire-tiårs karriere forJOIDES Oppløsning, som US National Science Foundation (NSF) hadde leid fra et privat selskap. Men NSF har kunngjort at de ikke lenger har råd til de 72 millioner dollar per år det koster å operere skipet etter å ha oppfylt sine IODP-forpliktelser, og at programmet vil bli avsluttet. Det gjør at noen forskere, spesielt de tidlig i karrieren, er usikre på feltets fremtid, sier Aled Evans, en maringeolog ved University of Southampton.

En gjenværende "stor utfordring" for geoforskere er å bore gjennom det basaltiske laget og over grensen mellom skorpe-mantelen - kalt Mohorovičić-diskontinuiteten, eller "Moho." Dette vil tillate dem å få tilgang til jomfruelige mantelbergarter som ikke har reagert med sjøvann. "Vi har ikke boret inn i den virkelige mantelen ennå," sier Abe. Den overraskende jevne boringen ved Lost City lover godt for disse fremtidige forsøkene fra Japans forskningsfartøyChikyukunne gjennomføres, legger hun til. "Mantelbergarter er den vanligste delen av hele planeten vår," sier Evans. "Å prøve dem ville være grunnleggende for å forstå hva planeten vår er laget av."