En banbrytande resa för att borra i stenar på botten av Atlanten har gett forskarna deras bästa inblick i hur jorden kan se ut under sin skorpa.

Forskare har samlat ett nästan obrutet 1 268 meter långt prov av grön, marmorliknande sten från en region där jordens mantel – det tjocka, inre lagret som utgör mer än 80 % av planeten – har trängt igenom havsbotten. Repetitionerna, som äger rum den 8 augustiVetenskaphar beskrivits ger oöverträffad insikt i de processer som leder till skorpbildning.

"Vi hade den här historien i huvudet" om hur sådana stenar skulle se ut, men det är helt annorlunda när "man ser det där på ett bord", säger Natsue Abe, petrolog vid Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology i Yokohama.

Expeditionens prestationer är en "fantastisk milstolpe", säger Rosalind Coggon, maringeolog vid University of Southampton, Storbritannien. "Havsborrning ger den enda tillgången till prover från djupet av jorden, som är avgörande för att förstå bildningen och utvecklingen av vår planet."

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

Jordens oceaniska mantel - den typ av skorpa som främst finns under jordens hav snarare än under dess kontinenter - består huvudsakligen av tät, vulkanisk sten som kallas basalt. Den är mycket tunnare och yngre än den kontinentala skorpan eftersom stenarna ständigt återvinns genom rörelser av tektoniska plattor.

Basalt bildas när magma trycker upp genom undervattenssprickor längs åsar i mitten av havet. Magman i sig kommer från en process som kallas partiell smältning i manteln – som till stor del består av genomskinliga, gröna, magnesiumrika mineraler. När materialet stiger i manteln sjunker trycket ovanför det, vilket gör att några av dessa mineraler smälter och bildar mikroskopiska filmer av magma mellan bergkristaller.

Normalt sett bryter bara magma ut på havsbotten. Men på vissa ställen når mantelstenen också upp till ytan, där den kommer i kontakt med havsvatten i en reaktion som kallas serpentinisering. Detta förändrar bergartens struktur - vilket ger den ett marmorliknande utseende - och frigör olika ämnen, inklusive väte.

Lätt att borra

Besökte i maj 2023JOIDES Upplösningen plats där detta hände: ett undervattensberg som heter Atlantis-massivet, beläget väster om Atlantens medelhavsrygg. Det 143 meter långa fartyget är utrustat med en 62 meter hög kran för undervattensborrning.

Det beslutade forskarna ombord Förlorad stad att borra, en plats på södra sidan av massivet. Regionen kännetecknas av hydrotermiska öppningar där mikrobiella extremofiler använder det utströmmande vätet.

"Vi planerade bara att borra 200 meter eftersom det var den djupaste plats som människor någonsin lyckats borra i mantelberget", säger Johan Lissenberg, petrolog vid Cardiff University, Storbritannien. Men borrningen var förvånansvärt enkel och tre gånger snabbare än vanligt, och den gav tillbaka långa, obrutna cylindrar av sten som kallas kärnor. "Så vi bestämde oss för att fortsätta", säger Lissenberg. Teamet stannade först när expeditionen slutade enligt sitt schema.

Forskarna har nu publicerat sina första resultat. "Vad vi rapporterar är bokstavligen vad du kan göra på fartyget. Ett team av 30 forskare porlar över kärnorna dag och natt i två månader och dokumenterar, tum för tum, hur de kommer upp."

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

När forskare undersökte bergets struktur i detalj, märkte de "lutande egenskaper", en karakteristisk signatur för den rådande teorin om hur magma separeras från manteln för att bli en del av skorpan, säger Lissenberg. Mantelberget var också varvat med andra typer av sten i kärnorna, vilket tyder på att mantel-skorpans gräns inte är så skarp som seismografiska data vanligtvis antyder, säger Jessica Warren, en geokemist vid University of Delaware i Newark. Dessa resultat tillsammans "är avgörande för hur vi förstår bildandet av tektoniska plattor i haven", säger hon.

Oviss framtid

Resan avslutar en värdig karriär på fyra decennierJOIDES Upplösning, som US National Science Foundation (NSF) hade hyrt av ett privat företag. Men NSF har meddelat att de inte längre har råd med de 72 miljoner dollar per år det kostar att driva fartyget efter att ha uppfyllt sina IODP-förpliktelser och att programmet kommer att avslutas. Det gör vissa forskare, särskilt de som är tidigt i karriären, osäkra på fältets framtid, säger Aled Evans, maringeolog vid University of Southampton.

En återstående "stor utmaning" för geovetare är att borra genom basaltskiktet och över gränsen mellan skorpan och manteln - kallad Mohorovičić-diskontinuiteten, eller "Moho." Detta skulle ge dem tillgång till jungfruliga mantelstenar som inte har reagerat med havsvatten. "Vi har inte borrat i den riktiga manteln ännu," säger Abe. Den överraskande smidiga borrningen vid Lost City bådar gott för dessa framtida försök från Japans forskningsfartygChikyuskulle kunna genomföras, tillägger hon. "Mantelstenar är den vanligaste delen av hela vår planet", säger Evans. "Att prova dem skulle vara grundläggande för att förstå vad vår planet är gjord av."