Jorden lagrer opplysninger om sin geologiske historie i et gigantisk kartotek av sedimenter av leire og sand. Sedimenter vil si avsetninger eller bunnfall.

De dekker deler av jordens overflate som opprinnelig har vært hav eller elvesletter, og har vært geologenes viktigste verktøy i forsøkene på å kartlegge hva som er skjedd på jordoverflaten.

Hittil har man trodd at sedimentene utelukkende er oppstått på grunn av variasjoner i det globale havnivået eller ved at jordens kontinentalplater har beveget seg i forhold til hverandre.

Varmetransport

Den oppfatningen ser nå ut til å skulle tas med en klype salt, for nye datasimuleringer fra Geologisk Institutt på Aarhus universitet viser at sedimentene også kan skapes av varmetransport fra jordens indre.

Varmen skaper konveksjon dypt nede i jordens mantel. Konveksjon et begrep som brukes om strømmer som transporter energi, for eksempel varme.

Over lange tidsskalaer over millioner av år får konveksjonen jordoverflaten til lokalt å duppe opp og ned. Dette fører til støy i kartoteket, slik at det blir vanskeligere å bruke.

Resultater er offentliggjort i tidsskriftet Science.

– Mantelens livlige konveksjon kan skape signaler som blander seg med de signalene som forårsakes av klimatiske og tektoniske prosesser på overflaten.

Det forklarer Kenni Dinesen Petersen fra Geologisk Institutt på Aarhus universitet, som har utviklet programvaren bak datasimuleringene.

– Konveksjonen danner altså en form for støy som ikke umiddelbart kan sorteres vekk. Derfor kan ikke sedimentene i overflaten bare forstås som en konsekvens av klimatiske svingninger eller platetektoniske spenninger i mantelen.

Som sirup

Konveksjonen oppstår fordi varme fra jordens indre hele tiden strømmer opp i mantelen og varmer opp bunnen, som først og fremst består av bergarten olivin.

Ved romtemperatur er olivin en fast bergart, men når den blir varmet tilstrekkelig opp, oppfører den seg som en tyktflytende sirup som i løpet av millioner av år trekker opp mot jordoverflaten. Her kjøles den av og synker deretter ned igjen.

– Målet vårt var å modellere hvordan bassengene er oppstått og fylt med sedimenter gjennom tidene, og her har vi som de første forsøkt å ta høyde for konveksjonen i mantelen.

– Simuleringene våre viste at konveksjonen får havbunnen til å løfte eller senke seg lokalt. Den prosessen setter gang i produksjon av sedimenter som danner en lagdeling som miner om den man finner i bassengene, sier Petersen.

Forskjellig rekkefølge

Konveksjonen skaper sedimenter som danner forskjellige sekvenser. Det vil si at de legger seg i forskjellig rekkefølge forskjellige steder på jordoverflaten, selv om de ikke ligger mer enn noen få hundre kilometer fra hverandre.

Hittil har man trodd at sedimenter dannet innen det samme området har samme oppbygning fordi de dannes synkront, og fordi man derfor kan bruke dem til å si noe om den globale geologiske og klimatiske utviklingen.

Simuleringene tyder på at det er vanskelig å forsøke å skrive jordens geologiske og klimatiske historie på grunnlag av sedimentene, argumenterer forskerne.

Uenige

Datasimuleringene utfordrer den vanlige forståelsen av hvordan sedimentene er skapt. Studier av borekjerner og kartlegninger av sedimenter med seismikk viser at sedimentene er avleiret i et skiftende miljø hvor havets lokale vannstand har endret seg.

De avleiringene som finnes i havene, kommer fra elver som avleverer sand langs kystene og ler ute i havene. Når vannstanden i havene varierer, flytter kysten seg, slik at de områdene som før ble dekket av leire, nå blir overskylt med sand. Med tiden bygges lagene opp slik at de til sammen danner et stripete mønster.

Finstuderer man mønsteret, kan man se at det er bygget av opp sekvenser som går igjen, og de er dannet av forskjellige geologiske prosesser som går over svært forskjellige tidsskalaer – fra få år til mange millioner av år.

De fleste av disse prosessene har man god oversikt over, men det gjelder ikke de som går over tidsskalaer på mellom 2 og 20 millioner år. Disse prosessene har man ikke noen entydig forklaring på, og de deler i dag forskerne i to leirer, som ofte forsøker å forklare dannelsen av sedimenter med hver sin teori.

Ulike teorier

Endringer i havnivå: De fleste forskerne heller til den teorien at de forskjellige sedimentlagene er formet av variasjoner i det globale havnivået på grunn av smelting av isbreer.

Kontinentaldrift: Noen forskere mener at sedimentlagene er et resultat av platetektonikk, hvor to kontinentalplater flytter seg i forhold til hverandre på den måten fører sedimentlag inn over hverandre.

Geologene fra Aarhus universitet anerkjenner disse mekanismene, men mener at de bare kan forklare dannelsen av noen sedimenter.

Problemet er at klimaet i lange perioder har vært så varmt at utbredelsen av isbreer har vært for beskjeden til å gi tilstrekkelige endringer i globalt havnivå. Dessuten er det mange områder som ikke har hatt en vesentlig geologisk aktivitet i lange perioder.

– Modellene våre viser at man ikke bare kan anta at endringer i det sedimentære miljøet avspeiler tektonikk eller variasjoner i globalt havnivå. Konveksjonen i mantelen skaper støy som er helt avgjørende å ta med i betraktningen, og som har viktig betydning for den vitenskapelige metoden i disse feltene, sier Petersen.

Konkurrenter er skeptiske

Århusforskernes resultater kan få en stor betydning for klimaforskningen, hvor man nettopp har forsøkt å kartlegge globale vannstandsendringer ved å studere sedimenter i bassenger som ikke er utsatt for platetektonikk.

– De nye resultatene viser at ingen bassenger er rolige, siden konveksjonen fortsetter å forårsake mer eller mindre tilfeldige endringer i lokal vannstand, sier han.

De nye datasimuleringene stiller altså spørsmål ved det verktøyet geologer og meteorologer bruker for å studere fortidens klima og jordens geologiske utvikling. 

Resultatene vekker stor oppsikt på verdensplan og blir også møtt med skepsis av forskere som baserer forskningen sin på disse verktøyene.

En av dem er professor Erik Rasmussen, som kommer fra en konkurrerende forskningsinstitusjon, GEUS, og som arbeider ut fra tesen om at sedimentene er skapt av tektonikk.

– Det er en god modellering gruppen har utført, men det er velkjent at lokale forhold påvirker dannelsen av sedimentene, og det kan vi ta høyde for. Så i bunn og grunn mener jeg at resultatene deres ikke kan brukes til noe, sier han.

– Fundamental ny forståelse

Resultatene fra datasimuleringene er også nådd helt til USA, hvor de blir diskutert av forskjellige forskergrupper. En av de mest fremtredende forskergruppene ligger på Institutt for Earth And Planetary Sciences ved Rutges University og ledes av professor Kenneth Miller. Han er skeptisk overfor århusforskernes påstand om at rekkefølgen i sedimentene ikke er globale.

– Det er dokumentert at mange sedimentsekvenser er globalt synkrone, så derfor er jeg skeptisk overfor den nye teorien. Men det er helt klart interessant at konveksjonen kan produsere slike sedimentsekvenser, og det er nå opp til stratigrafien å dokumentere at sekvenser rent faktisk er globale, slik det hittil er antatt, med presise kronologier, sier han.

I tidsskriftet Science uttaler professor Dietmar Müller fra Universitetet i Sydney seg om de nye simuleringene. Han har publisert en rekke artikler i anerkjente tidsskrifter og arbeider interdisiplinært ved å sammenligne geologiske observasjoner med geodynamiske modeller.

Han mener Århus-gruppens resultater vil ha svært stor betydning for hvordan sedimenter kan brukes til å rekonstruere jordens historie.

– Endringer i havnivå har påvirket jordens overflate, noe som har betydd at kystlinjen har flyttet seg fram og tilbake i en syklus. En forståelse av den underliggende mekanismen i de voldsomme skiftene i kystlinjene og det tilsvarende mønsteret i sedimentavleiringene over ulike tidsskalaer er helt avgjørende i arbeidet med å kartlegge jordens tektoniske og klimatiske historie, skriver han.

Artikkelen i Science gir et radikalt nytt syn på dannelsen av sedimentsekvensene over lange tidsskalaer og tyder på at de er drevet av konveksjon i mantelen, skriver Müller.

– Først kartlegger man sedimentene slik at man vet hvor det er sand og hvor det er leire, og så lager man en detaljert modell for et basseng som kan vise vei til oljeforekomster. Datasimuleringene våre tyder imidlertid på at oljebransjen arbeider ut fra feil antakelser, slik at oljejakten ikke er optimal, slutter han.

___________________

© videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygård for forskning.no

Referanse:

K. D. Petersen, S. B. Nielsen, O. R. Clausen, R. Stephenson, T. Gerya; Small-Scale Mantle Convection Produces Stratigraphic Sequences in Sedimentary Basins; Science 13. august 2010; vol. 329. no. 5993, ss. 827 - 830; DOI: 10.1126/science.1190115.