Den nordamerikanska kontinenten är inte en enda tjock, styv platta, utan en lagerkaka av gammal, 3 miljarder år gammal sten ovanpå mycket nyare material som förmodligen är mindre än 1 miljard år gamm alt, enligt en ny studie av seismologer vid University of California, Berkeley.
Fyndet, som rapporteras i numret av Nature den 26 augusti, förklarar inkonsekvenser som härrör från nya seismiska tekniker som används för att utforska jordens inre, och belyser mysteriet om hur jordens kontinenter bildades.
"Det här är spännande eftersom det fortfarande är ett mysterium hur kontinenter växer", säger studiens medförfattare Barbara Romanowicz, chef för Berkeley Seismological Laboratory och professor i jord- och planetvetenskap vid UC Berkeley."Vi tror att större delen av den nordamerikanska kontinenten konstruerades i arkean (eon) i flera episoder, kanske så länge sedan som för 3 miljarder år, men nu, med det nuvarande regimen av plattektonik, bildas inte mycket ny kontinent."
Jordens ursprungliga kontinenter började bildas för cirka 3 miljarder år sedan när planeten var mycket varmare och konvektionen i manteln mer kraftfull, sa Romanowicz. De kontinentala stenarna steg upp till ytan - ungefär som avskum flyter till toppen av kokande sylt - och bildade så småningom litosfären, jordens hårda yttre lager. Dessa gamla flytande bitar av litosfären, kallade kratoner, slutade tydligen växa för cirka 2 miljarder år sedan när jorden svalnade, men inom de senaste 500 miljoner åren, och kanske så länge som 1 miljard år, har platttektonikens moderna era lagt till nya marginaler till de ursprungliga kratonerna, sakta expanderar kontinenterna.
"Sedan Archean har kontinenterna brutits upp i bitar, limmats ihop igen och sedan brutits upp igen, men de bitarna av den mycket gamla litosfären - mycket gamla bitar av kontinenter - har funnits där väldigt länge tid", sa hon.
En av dessa ursprungliga kontinenter är den nordamerikanska kratonen, som mestadels ligger i den kanadensiska delen av Nordamerika. Studien tyder på att den kontinentala litosfären som har tillkommit sedan den ursprungliga nordamerikanska kratonen bildades skrapades bort från havsbotten när den störtade ner under kontinenten, inte avsatt underifrån av plymer av hett material som väller upp genom manteln.
Historien om jordens äldsta kontinentalplattor är vag eftersom detaljerna i deras interiörer är dolda för geologer. De översta 40 km av litosfären är skorpa som är kemiskt skild från manteln nedanför, och medan aktiviteter som bergsbyggande kan muddra upp djupare material, är bergsbyggande sällsynt i planetens stabila kratonger. Det djupa inre av den nordamerikanska kratonen är känd endast från så kallade xenoliter - berginneslutningar i magmatisk bergart - eller xenokristaller som diamanter som har levererats till ytan från djupet underifrån av vulkaner.
Seismologer har dock förmågan att undersöka jordens inre tack vare seismiska vågor från jordbävningar runt om i världen, som kan användas ungefär som ljudvågor används för att undersöka det inre av människokroppen. Sådan seismisk tomografi har fastställt att botten av den nordamerikanska kratonen är cirka 250 km djup som tjockast, och tunnas ut mot marginalerna där nya bitar har lagts till den kontinentala litosfären. Under den stela litosfären finns den mjukare astenosfären, på vilken de kontinentala och oceaniska plattorna rider.
Romanowicz och UC Berkeley postdoktor Huaiyu Yuan testar en ny teknik, seismisk azimutal anisotropi, för att leta efter gränsen mellan litosfären och astenosfären. Tekniken drar fördel av det faktum att seismiska vågor färdas snabbare när de rör sig i samma riktning som en sten har sträckts ut än när de färdas över bristningsmärkena. Skillnaden i hastighet gör det möjligt att upptäcka lager som har sträckts åt olika håll.
"När litosfären rör sig över astenosfären sträcks materialet ut och får textur, vilket indikerar i vilken riktning plattorna rör sig", sa hon.
Överraskande nog hittade de en skarp gräns 150 kilometer under ytan, alldeles för grunt för att vara gränsen mellan litosfären och astenosfären. Forskarna tror att den skarpa gränsen går mellan två typer av litosfärer: den gamla kratonen och det yngre materialet som ska matcha havsbottens kemiska sammansättning. Deras tolkning överensstämmer med studier av xenoliter och xenokristaller, som indikerar att det finns två kemiskt distinkta lager i den arkeiska skorpan.
Av en slump, för tre år sedan, upptäckte forskare som använde en populär ny teknik som kallas mottagarfunktionsstudier en skarp gräns under den nordamerikanska kratonen på ett djup av cirka 120 km. Mottagarfunktionsstudier drar fördel av det faktum att seismiska vågor ändrar karaktär - omvandlas till exempel från en P-våg till en S-våg - vid skarpa gränser.
"Vi tror att de ser samma skiktning som vi ser, en skarp gräns inom litosfären", sa Romanowicz.
De bristningar som avslöjas av azimutal anisotropi verkar utesluta en teori om hur de äldre kontinenterna har samlat på sig mer litosfär.
"En hypotes var att den nedre delen bildades genom underplätering", sa Romanowicz. "Du skulle ha en stor plym av material, en uppsvällning, som skulle fastna under roten. Men det vi observerar stämmer inte med det. Materialet skulle spridas åt alla håll och du skulle se anisotropi som pekar som ekrar i en cykel."
"Vi ser en mycket konsekvent riktning över hela kratonen. I det översta litosfäriska lagret är den snabba axeln i genomsnitt nordost-sydväst i linje. I det undre lagret är den inriktad mer nord-sydlig. Så underplätering fungerar inte", sa hon.
Om subduktion ökar till den kontinentala litosfären, å andra sidan, stämmer den nord-sydliga strejken av subduktionszonerna på östra och västra sidorna av den nordamerikanska kratonen överens med den riktning som Romanowicz och Yuan hittade.
"Jag tror att vår tidning kommer att stimulera människor att titta mer noggrant på att särskilja litosfärens åldrar som en funktion av djupet", sa hon. "All information vi kan tillhandahålla som begränsar modeller för kontinental bildning är verkligen användbar för geodynamiker."
