Adevarata lume din centrul Pamantului

Descoperirea unei lumi prin gaura cheii

In lucrarea “Planeta Pamant”, castigatorul premiului Pulitzer Jonathan Weiner descrie planeta noastra ca avand “regiuni de zgomot si furie”, unde pamantul de dedesubt il distruge pe cel de la suprafata. Intelegerea proceselor care coordoneaza aceasta stare a lucrurilor este una dintre principalele preocupari ale Diviziei de Stiinte ale Pamantului (ESD) din cadrul Laboratorului Berkeley. Mare parte din activitatea acestei organizatii incepe cu Departamentul de Geofizica si Geomecanica, al ESD, aflat sub conducerea geofizicianului Ernie Majer.

• Ce se întâmplă cu Voyager 1? Sonda interstelară a activat un instrument nemaifolosit de peste 40…
• Celulele stem crescute în spațiu au un avantaj surpriză

“In anumite aspecte, suntem opusul astronomilor. Ei incearca sa descopere lumea de dincolo de planeta, in timp ce noi incercam sa stabilim structurile si miscarile ce au loc sub suprafata Pamantului. Insa munca noastra este mult mai solicitanta. Astronomii examineaza semanale ce au fost propagate prin vidul spatiului. Noi trebuie sa lucram cu semnale propagate prin mii de kilometri de roca incandescenta.”, sustine Majer. Mai mult, geofizicianul noteaza ca astronomii se pot folosi de puternice instrumente radio si de telescoape optice, cu antene si lentile de mari dimensiuni pentru a-si obtine semnalele. “Tot ceea ce putem face noi insa, este sa sapam mici gropi si sa ne adunam datele prin intermediul acestora”, mai adauga cercetatorul.

Introducerea instrumentelor prin gauri executate in pamant sau in bazine oceanice ramane materia prima a cercetarilor geofizice. Sondele, coborate prin gauri, raporteaza ceea ce “vad”, ca niste mici si numerosi roboti electromecanici. Aceste date, colectate fie permanent pe masura ce o sonda este coborata, fie in puncte strategice de pe drum, sunt inmagazinate sub forma unor grafice. Sondarile ii ajuta pe oamenii de stiinta sa studieze fracturile din roca, ce includ dislocari si puncte de inchegare. Asemenea cailor prin care lichidele si gazele din subteran se misca, fracturile joaca un rol important in producerea de combustibili fosili si energie, precum si in transportarea apei poluate.

Majer este un pionier al geofizicii bazate pe sondarile prin forarea scoartei terestre. Impreuna cu un alt geofizician al ESD, Tom McEvilly, el a coordonat dezvoltarea unei tehnici revolutionare denumite Vertical Seismic Profiling (VSP sau Schitare Seismica Verticala). Aceasta metoda foloseste senzori, care, coborati printr-o gaura forata in sol, receptioneaza semnalele seismice (vibratiile) create artificial de un vehicul masiv, asemanator unui tracor. Semnalele seismice care calatoresc prin sol vin in doua forme: comprimate sau ca unde P, care determina miscarea rocilor in aceeasi directie cu propagarea undelor, si prin tivire sau ca unde S, care provoaca miscarea rocilor perpendicular pe unde. Viteza de miscare a undelor de tip S si P si rata la care isi consuma energia releva multe despre rocile pe care le traverseaza.

Tehnici seismografice

Tehnica VSP a fost folsita cu succes intr-o serie de situri geofizice importante, intre care se numara si experimentul Parkfield. Oraselul cu acelasi nume din centrul Californiei, aflat de-a lungul infamei falii seismice San Andreas, a fost un fel de Mecca a cercetatorilor geofizicieni inca din 1985, atunci cand McEvilly a facut istorie cu prima predictie corecta din istorie a unui cutremur.

Majer, impreuna cu Tom Daley si John Peterson, au dezvoltat de asemenea o tehnica de tomografiere seismica de frecventa inalta (peste 3.000 hertzi), in care vitezele undelor seismice sunt masurate cu ajutorul unor perechi multiple de gauri in sol. In fiecare dintre aceste foraje, sursa semnalului seismic este amplasata intr-o gaura, senzorii seismici sunt amplasati intr-o alta, iar semnalele sunt masurate in timp ce traverseaza pamantul dintre gaura-sursa si gaura cu receptori.

Procedura devine apoi una asemanatoare utilizarii razelor x pentru obtinerea unei imagini tomografice a creierului uman. Semnalele de date sunt inregistrate din puncte multiple, iar un computer este folosit pentru a reconstrui o imagine tridimensionala compusa. Cu ajutorul tomografiei seismice, cercetatorii primesc imagini care furnizeaza informatii despre locatiile de imbinare, despre continuitatea si grosimea straturilor de roca, precum si despre alte caracteristici din subteran.

Alti cercetatori ai ESD sunt responsabili cu cercetarea la fel de importantelor interactiuni dintre roci si apa, prin testarea diferentelor de conductivitate electrica. Roca uscata reprezinta un izolator electric, dar adauga-i chiar si un strop de apa si conductivitatea sa va creste suficient incat detectarea prezentei apei sa fie facila si rapida. O tehnica ce a devenit un instrument standard in sondari, denumita “introspectie hidrofizica”, a fost dezvoltata de liderul Departamentului de Dinamici Hidrologice din cadrul ESD, Chin-Fu Tsang, impreuna cu un alt membru, Frank Hale si alti cercetatori ai laboratorului Berkeley.

In aceasta abordare, o gaura de sondare este umpluta cu apa deionizata (neutra din punct de vedere electric), care este apoi incet pompata spre suprafata. Acest lucru extrage apa subterana din crapaturile rocilor in gaura unde se amesteca si dislocuieste apa deionizata. “Conductivitatea electrica a apei care iese prin gaura de sondare dintr-o crapatura va fi diferita de cea a apei deionizate si de cea a apei din oricare alta crapatura, datorita compozitiei sale chimice unice”, sustine Tsang. Depistarea schimbarilor de conductivitate electrica ce insotesc aceasta dislocuire le indica cercetatorilor care fracturi sunt umede si care sunt uscate, de unde a venit apa si incotro poate fi ea asteptata sa se deplaseze.

Pentru a putea vedea cu proprii lor ochi ce se intampla in gaura de sondare, o camera subtire de inalta rezolutie este folosita de catre Centrul de Masuratori Geostiintifice al Departamentului de Geofizica. Instrumentatia de inalta tehnologie este disponibila tot aici pentru masurarea si analizarea unei game largi de proprietati geofizice ale mostrelor extrase din gauri.

Din ce este facut “iadul”

Pana intr-un punct, se pare ca Dante avea dreptate cu teoria sa: interiorul planetei noastre este intr-adevar dispus intr-o serie de cercuri concentrice, care devin progresiv mai mari si mai recei pe masura ce se indeparteaza de miez. Potrivit modelelor stabilite de specialisti, cercul marginal, pe care sunt asezate continentele si bazinele oceanice, unde resursele fosile sunt stocate si unde viata subterana exista, se numeste crusta. Sub oceane, crusta are o grosime de aproximativ opt kilometri si este alcatuita in mare parte din bazalt (lava intarita). Crusta de sub continente are 40 kilometri grosime si este facuta mai ales din granit. Sub aceasta crusta, si mergand pana la o adancime de aproximativ 3.000 kilometri, se afla mantaua, o sfera compusa din silicon, oxigen, aluminiu, fier si magneziu. Mantaua este separata in portiuni superioare si inferioare. Treimea superioara a mantalei este solida, dar fragmentata in aproximativ 24 de piese sau placi interconectate. Aceste placi, dimpreuna cu crusta care le acopera, compun litosfera Pamantului. Celelate doua treimi mai joase ale mantalei, ce compun astenosfera, sunt inmuiate de temperaturi apropiate de 4.400 grade Celsius. Placile litosferice sau tectonice sunt cele care, prin miscarea lor, determina reconfigurarea continentala de la suprafata Pamantului, proces foarte lent, dar si cutremurele, procese fulgeratoare si fara efect vizibil la nivel de dispunere tectonica.

Sub manta, se afla miezul exterior si cel interior ale Pamantului. Miezul exterior are o grosime de aproximativ 2250 kilometri si este facut din fier si nichel topite. Temperaturile de aici sunt suspectate ca ating valori de pana la 6.100 grade Celsius in cele mai adanci puncte. In chiar centrul Terrei, la o distanta de 6.400 kilometri de suprafata, se afla miezul intern, o minge de fier topit, ce contine, posibil, si niste nichel, cu un diametru de 2.600. kilometri. Paradoxal, in ciuda temperaturii care poate atinge si 7.000 grade Celsius, miezul intern ramane in stare solida sub actiunea presiunii uriase de la asemenea adancime. Pentru ca nu exista niciun fel de mijloc direct prin care interiorul Pamantului de sub manta sa fie sondat si testat, informatia trebuie obtinuta indirect, mai ales prin masurarea caracteristicilor undelor seismice care traverseaza globul pamantesc. Metoda este asemanatoare cu cea a sondarilor propriu-zise de masurare, doar ca in acest caz sursa semnalului este un cutremur, iar receptorii sunt mai mult de 1.000 de statii seismologice din toata lumea. Oamenii de stiinta compara viteza si forta undelor de tip P si S, pe masura ce aceastea se indeparteaza de epicentrul cutremurului, care poate fi identificat cu precizie datorita faptului ca undele P calatoresc cu o viteza aproape dubla celei a undelor S.

Aceasta tehnica indirecta de esantionare are si o problema insa, deoarece epicentrele seismice sunt adunate in jurul marginilor tuturor placilor tectonice, iar majoritate statiilor seismice sunt amplasate in emisfera nordica. Mai mult, cercetatorii care colecteaza rezultatele masuratorilor sesimice s-au concentrat in general pe crusta, pe manta sau pe miezul interior, folosind aspecte ale timpului de propagare a valului seismic care sunt cele mai sensibile in acele regiuni specifice. Miezul exterior a fost mereu ignorat.

Departamentul de Geofizica din cadrul EDS intretine un Centru de Seismologie Computerizata. Un avans semnificativ catre o mai bune intelegere a lumii din subteran a fost posibila in 1998, atunci cand cercetatorii acestui centru au dezvaluit primele imagini tridimensionale ale intregii structuri interioare a Pamantului, de la crusta pana spre miezul intern. Geologii Centrului, Don Vasco si Lande Johnson si-au construit imaginile de tip tomografic din date seismice adunate din miii de cutremure pe parcursul ultimilor 40 de ani.

Miezul extrem

Una dintre primele surprize care au reiesit din aceste imagini a fost sugestia ca deciziile de a ignora miezul exterior al Pamantului erau bazate pe presupunerea hazardata ca acesta are o consistenta omogena. Intelepciunea stiintifica de ordin conventional a considerat ca nichelul si fierul din compozitia acestui miez ar fi complet amestecate si dispersate egal prin miez, asemenea unui sos incalzit pana la fierbere.

“Am descoperit indicatoare ale eterogenitatii mai degraba decat ale omogenitatii la baza miezului exterior. Pare ca si cum foarte mari presiuni si temperaturi determina consolidarea fierului bogat in nichel de la baza. Astfel, fierul saracit care ramane topit ar fi mai putin dens decat fluidul de deasupra, provocand ridicarea acestuia si crearea unui curent de convectie. Acesta s-ar putea intalni cu campul magnetic al Pamantului”, sustine Vasco. Fierul saracit circula prin miez, creand un miez magnetic in mare parte asemanator cu miscarea firelor electrice care produc curent intr-un generator electric.

Eterogenitatea miezului extern ar putea fi de asemenea in legatura cu dovada geofizica a faptului ca polii magnetici ai Pamantului au crescut si au scazut in putere, in diferite momente, si chiar s-au inversat. “Procesul este dinamic, deci, atunci cand ne imaginam un obiect sau o anumita conditie n-ar trebui sa ne asteptam ca lucrurile sa ramana pentru totdeauna intr-o anumita forma. Sa ne gandim la aceste lucruri ca la un ocean. Un ocean este bine amestecat, dar intotdeauna vor ramane rezerve de apa calda sau rece. Nu vor ramane asa pentru multa vreme, dar vor exista un timp”, sustine Vasco.

Iata, deci, lumea din subteran, asa cum ne-o infatiseaza stiinta. Iadul nu este in pamant, asa cum, probabil, Raiul nu este in cer. Ambele sunt in noi, iar tot ce este in afara noastra si deci, si sub noi, nu reprezinta decat fenomene fizice si reactii chimice, menite sa formeze si sa mentina lucrurile asa cum le percepem direct, prin toate simturile de care dispunem. Asadar, pe cand vom intreprinde o adevarata calatorie in centrul Pamantului?

CITESTE SI:

• Cutremurele vor putea fi prevazute
• De ce nu a inghetat Terra pana acum?
• Gheturile de la Polul Sud dezvaluie 800 000 ani de secrete
• Thera – vulcanul care a schimbat cursul istoriei