Varmestrømmen fra Jordas jernkjerne til nedre del av mantelen fører til termisk utvidelse av steinmassene og episoder der lett og varmt (men ikke flytende) materiale stiger mot overflaten.

De stigende ”boblene” utvikler seg til rørlignende strømmer med et stort hode øverst. Nær overflaten er trykket så lavt at noe av det varme materialet i hodet smelter. Dette kan resultere i korte perioder med intens vulkanisme.

Jordas geologiske utvikling med episodisk dannelse av fjellkjeder og store vulkanske provinser bestemmes trolig av omveltningene nær mantel-kjerne-grensen.

Jordas indre struktur

Jordskorpa, med tykkelse som varierer fra 5 til 70 km, utgjør en meget liten del av Jordas radius på 6371 km. En fast steinmantel ligger utenfor den jern-dominerte kjernen.

Den ytre kjernen (2890-5150 km dyp) er flytende, mens den indre kjernen er fast. Under trykk som svarer til mantel-kjerne-grensen er smeltepunktet for jern minst 2500 ºC lavere enn for stein. Den indre kjernen er fast fordi smeltepunktet stiger når trykket øker.

Det nederste 200-300 km tykke laget i mantelen, direkte over kjerne-mantel-grensen, har fått betegnelsen D”. Navnet har overlevd fra en bokstavkoding som ble innført av geofysikeren Keith E. Bullen i 1940.

Mineralet olivin dominerer i den øvre mantelen (over 410 km dyp). I en overgangssone (410-660 km) opptrer to ulike høytrykks-utgaver av olivin sammen med mineralet granat. Nesten 80 % av den nedre mantelen, som igjen utgjør 58 volum% av Jorda, består av mineralet perovskitt med MgSiO3-dominert sammensetning.

Dette perovskitt-mineralet ble syntetisert av Lin-Gun Liu ved Australian National University i 1974 etter at Ted Ringwood (samme sted) hadde forutsett at det kunne være stabilt i den nedre mantelen.

I de neste 30 årene trodde de fleste høytrykks-mineraloger at perovskitt ville være stabilt helt ned til Jordas kjerne. Seismologene, derimot, fant flere gåtefulle grenseflater og retningsavhengige materialegenskaper i D”-laget.

Rundt 1980 begynte de å få mistanke om andre høytrykksmineraler i dette området, men de ble møtt med likegyldighet hos mineralogene.

Mineralovergang fra perovskitt til post-perovskitt

I 2004 oppdaget japanske høytrykksmineraloger at perovskitt (pv) faktisk går over til et annet mineral ved overgangen til D”-laget. Foreløpig kalles dette mineralet post-perovskitt (ppv).

Oppdagelsen ble muliggjort ved en kombinasjon av teknisk krevende eksperimenter og teoretiske beregninger. Ppv blir stabilt når trykket øker, fordi mineralet har mindre volum enn pv. Trykket og dermed dypet der mineralovergangen foregår er imidlertid svært følsomt for variasjoner i temperaturen.

Høye temperaturer favoriserer pv i forhold til ppv. Den store temperaturøkningen gjennom D”-sonen gjør pv stabilt igjen helt nederst mot kjernen. Overgangene fra pv til ppv og tilbake til pv svarer til seismiske observasjoner av en øvre og en nedre grenseflate.

Dypet til disse grenseflatene varierer med temperaturen, og i de varmeste områdene er ikke post-perovskitt stabilt i det hele tatt. Dette vil favorisere dannelsen av pv-dominert termisk oppdrift like over kjernen.

Planetær dynamikk

Alle planeter har indre bevegelser som bestemmes av varmeutviklingen i dypet og av måten varmen transporteres utover på.

Materialegenskapene i den nedre mantelen kontrollerer varmeoverføringen fra kjernen og dermed også strømningsmønsteret i det flytende jernet i den ytre kjernen og krystallisasjonen av jern ved overflaten av den indre faste kjernen.

Jordas magnetfelt blir indusert av strømmene i kjernen og styres også av denne varmeoverføringen. Vi kan si at mantelen er herren og kjernen er slaven.

Varmestrøm i form av massetransport (konveksjon) er viktigst i Jordas indre, men varmeledning (konduksjon) må foregå ved grenseflater som er ugjennomtrengelige for massetransport. Kjerne-mantel-grensen der tettheten stiger fra 5,5 til 9,9 tonn/m3 er det mest markerte grenselaget i Jorda.

D”-laget nederst i mantelen har store variasjoner i tykkelse, materialer og struktur. Temperaturen stiger fra 2500 til 4000 °C, og D”-laget er derfor et nøkkelområde for Jordas indre dynamikk og geologiske utvikling.

Temperatur- og tetthetskontrastene forårsaker termisk oppdrift og søylestrømmer som baner seg vei mot overflaten og danner store basaltprovinser og annen intraplate-vulkanisme.

Oppdagelsen av faseovergangen til post-perovskitt gjorde det mulig å forklare mesteparten av de gåtefulle seismologiske observasjonene i D”-sonen. Dette gjennombruddethar ført til en kraftig revitalisering av seismologisk og høytrykks-mineralogisk forskning.

Samtidig er det gjort viktige paleogeografiske og geokjemiske observasjoner som kobler dagens varmetransport og bevegelser i D”-laget med Jordas tidlige utvikling. Det mineralogiske 2004-gjennombruddet har dermed startet en kunnskapsrevolusjon.

På terskelen til en mer fullstendig innsikt i Jordas dype indre ser vi mer enn noen gang verdien av samarbeid og kommunikasjon mellom forskere i seismologi, geomagnetisme, mineralogi, materialfysikk og geokjemi.

En fyldigere versjon av denne artikkelen og mer informasjon om emnet finnes på: http://www.nhm.uio.no/geomus/homepages/popvit_tronnes.html