Onsdag 23.10.2019 - Uke 43
logo   128 000 besøkende i 2018

Samarbeidspartnere

Mantelens egenskaper i forbindelse med belastning har vært diskutert blant forskere i nesten 80 år. Nye beregninger viser at det er en svært myk astenosfære under Skandinavia og at resten av mantelen er av uniform viskositet.


530x430 snittFigur 1. Snitt gjennom jorda fra overflaten til kjernen. Overgangen mellom øvre og nedre mantel er på 660 km dyp. Illustrasjon: Wikipedia

Det har vært kjent langt tilbake i tid at havnivået i Norge har forandret seg. På slutten av 1800-tallet ble det allment akseptert at landområdene har hevet seg for å kompensere for tyngden av isbreen som tidligere lå over Skandinavia (se GEO, sept 2011, side 42-43). Studier av landhevningen etter siste istid i Skandinavia er en av de beste måter en har til bestemmelse av egenskaper ved jordas øvre deler.

Skandinavia er da også blitt et klassisk område for studier av jordas respons på belastning. Dessverre har ikke konklusjonene vært entydige.

De første studiene av mantelens egenskaper kom i 1935, i to publikasjoner med motstridende konklusjoner. Den ene (Haskell) fant at mantelen har uniform viskositet på ca 1021 Pa*s. Den andre (Van Bemmelen and Berlage) fant at hevningen sentralt i Fennoskandia (Finland og Skandinavia) kan forklares med viskøs strømning i en kanal (med viskositet 1.3x1020 Pa*s) mellom litosfæren og en stiv nedre mantel.

De samme fundamentalt forskjellige synspunkt finner vi også i nyere undersøkelser. Mange av dagens forskere finner at det er store forskjeller på viskositeten i øvre og nedre mantel (overgangen på 660 km dyp) under Fennoskandia (for mer detaljer, se Steffen og Wu, 2012).

Viskositet

Viskositet er et mål på et materials eller en væskes evne til å flyte (høy viskositet = tyktflytende). SI-enheten for viskositet er pascalsekund (Pa*s). Viskositeten for vann er ca. 0,001 Pa*s, mens viskositeten for smeltet glass er 10 – 1 000 Pa*s. Lava kan ha en viskositet på 100 – 1012 Pa*s.  

Vi har nå gjort noen nye beregninger med en simuleringsmodell som har mye høyere oppløsning enn tidligere, og ved å ta i bruk nyere data for avsmeltingshistorien. Grid-oppløsningen i vår modellering er 10 km, mot vanlig brukt grid-oppløsning på 50 km. Simuleringsmodellen som er brukt er beskrevet i Fjeldskaar et al. (2000). Litosfæren antas å være en jevn-tykk elastisk plate og mantelen et lagdelt viskøst medium; både litosfærens tykkelse og mantelens viskositet kan varieres fritt.

530x532 obs landhevningFigur 2. Observert landhevning i Fennoskandia (fra Vestøl, 2006), korrigert for eustatisk endring på 1 mm/år. Rød linje indikerer ingen heving (0 mm/år). Kontur-intervall er 1 mm/år.

Observasjoner

Landhevningen etter siste istid er blitt kartlagt ved forskjellige typer data, inndelt i tre grupper:

1)    Strandlinjediagram, som viser helningen på tidligere tiders strandlinjer,
2)    Strandforskyvningskurver, som viser hvordan havnivået på et sted har endret seg over tid,
3)    Dagens landhevningshastighet, som finnes ved måling av havnivå i forhold til fastmerker i fjell, ved nivellering eller GPS (figur 2).

Dessverre er det slik at mye av landhevnings-dataene ikke er et direkte mål på bevegelse av den faste jord, men inneholder også endringer av havnivået. Vi vil her konsentrere oss om dataene i 3), fordi strukturen på dagens landhevningsbilde i liten grad er influert av andre effekter enn bevegelse av den faste jord, dvs. glasial isostasi.

Glasiasjonshistorien i siste istid er velkjent ved observasjoner av endemorener. Isens utstrekning til ulike tider er det mest sikre, mens istykkelsene er et diskusjonstema og ikke gjenstand for direkte observasjoner. Vi trenger imidlertid is-tykkelser for å kunne beregne landhevningen; is-tykkelsene brukt i dette studiet er modellert og basert på kunnskap om isen på Grønland og sydpolen. Figur 3 viser deglasiasjons-historien vi baserer vår modellering på.

530x178 isutbredelseFigur 3. Tre utvalgte steg i deglasiasjonen brukt i modelleringen; 20 000, 15 000 og 9 000 år før nåtid (BP). I modelleringen brukes tidssteg for hvert 1000. år.

I de utførte beregningene har vi holdt maksimal landhevningshastighet (i Bottenviken) fast på ca. 8.5 mm/år, mens vi har variert mantel-viskositeten. Mantelens virkelige viskositetsprofil finner vi ved å sammenholde de teoretiske og observerte mønstrene for landhevningen. De som har store avvik fra den observerte landhevningen, betraktes som urealistiske.

Resultater

De teoretiske beregningene viser at ulike viskositetsprofiler i mantelen vil gi mer eller mindre forskjellige mønstre for dagens landhevning. Det er særlig stor forskjell mellom modeller med uniform mantel og de med endring i viskositet fra øvre til nedre mantel. Vi har valgt ut noen eksempler for å illustrere dette.

La oss først se på dagens landhevning beregnet med uniform viskositet fra bunnen av litosfæren og ned til kjernen, slik Haskell foreslo (figur 4). Med tynn litosfære, ser vi at det er betydelige forskjeller fra observert landhevning (figur 2). Med en tykk litosfære får vi imidlertid ganske god overensstemmelse med observert landhevning. Men en tykk litosfære er urealistisk fordi det ikke gir helning av gamle strandlinjer som samsvarer med observasjonene.

LES OGSÅ: Landhevningen og litosfærens tykkelse

530x256 figur 4Figur 4. Dagens landhevning beregnet med uniform mantel-viskositet. Til venstre er vist resultater med en tynn lithosfære (40 km); til høyre en tykk litosfære (150 km). Kontur-intervall er 1 mm/år.

Så ser vi på modeller der nedre mantel har høyere viskositet enn øvre mantel (eksempler fra Milnes og Steffens modeller; figur 5). Milne (2004) favoriserer en modell med en dobling av viskositeten fra øvre til nedre mantel (fra 1 til 2 x1021 Pa*s). Vi ser i figur 5 at formen på dagens landhevning er nokså lik som for en uniform mantel. Med en tynn litosfære er denne modellen urealistisk. Med en tykk litosfære er den ganske lik observert landhevning, men gir litt dårligere match med observasjonene, særlig perifert til det nedisete området. Men av samme grunner som med uniform-modellen, er det urealistisk med en tykk litosfære.

Figur 5Figur 5. Dagens landhevning beregnet med modeller hvor viskositeten øker fra øvre til nedre mantel. De to figurene til venstre er modeller med en dobling av viskositeten fra øvre til nedre mantel; til venstre en tynn litosfære (40 km); i midten en tykk litosfære (150 km). Til høyre er landhevningen beregnet med en økning av viskositeten fra øvre til nedre mantel med en faktor på 20, og en tykk litosfære. Kontur-intervall er 1 mm/år.

Vi ser at en økning i viskositeten fra øvre til nedre mantel gir utslag i negativ retning i forhold til observert landhevning. Steffen har en mye større endring i viskositet fra øvre til nedre mantel – med en faktor på 20. Vi ser i figur 5 at denne endringen gir stor effekt på landhevningen. Det ser dermed ut til at vi kan utelukke en betydelig økning i viskositeten fra øvre til nedre mantel; de gir for store avvik i forhold til observasjonene.

Best match med observasjonene ble gitt med en uniform mantel og tykk litosfære. Dette kan vi imidlertid utelukke da en tykk litosfære gir altfor lave verdier på helningen av tidligere tiders strandlinjer.

Figur 6 viser dagens landhevning beregnet med en lav-viskøs astenosfære (1019 Pa*s) over en uniform mantel (1021 Pa*s) og øverst en tynn litosfære. Dette er modellen som gir best overensstemmelse med observert landhevning.

530x513 fig6Figur 6. Dagens landhevning beregnet med en lav-viskøs (1019 Pa*s) astenosfære over en uniform mantel-viskositet under astenosfæren (1021 Pa*s), og med en tynn elastisk litosfære. Kontur-intervall er 1 mm/år.

Konklusjon

En hel del mulige viskositets-profiler viser seg å være urealistiske fordi de gir altfor store avvik mellom beregnet og observert landhevning i perifere områder. Basert på disse (og andre) beregninger konkluderer vi med at astenosfæren under Fennoskandia er av svært lav viskositet (1019 Pa*s), og tynnere enn 150 km. Vi konkluderer også med at mantelen generelt er av relativt lav og uniform viskositet (1021 Pa*s).


Referanser

Fjeldskaar, W., Lindholm, C., Dehls, J.F. og Fjeldskaar, I., 2000. Post-glacial uplift, neotectonics and seismicity in Fennoscandia.  Quaternary Science Reviews 19, 1413-1422.
Haskell, N.A., 1935. The motion of a viscous fluid under a surface load. Physics 6, 265-269.
Milne, G.A., Mitrovica, J.X., Scherneck, H.-G., Davis, J.L., Johansson, J.M., Koivula, H., Vermeer, M., 2004. Continuous GPS measurements of postglacial adjustment  in Fennoscandia:  2.  Modeling  results.  J.  Geophys.  Res.  109  (B2).
Steffen, H. og Wu, P., 2011.  Glacial isostatic adjustment in Fennoscandia - a review of data and modeling. J. Geodyn., 52 (3-4), 169-204,  doi:10.1016/j.jog.2011.03.002.
van Bemmelen, R.W., og H.P. Berlage, 1935. Versuch einer mathematischen Behandlung geotektonischer Bewegung unter besonderer Berucksichtegung der Undationstheorie, Beitr. Geophys. 43, 19-55.

Samarbeidspartnere

Nyhetsbrev

captcha 

200 ledige stillingerb

200 Tips oss

200 Fortell om din forskning

 

 Ukens PhD comics

250x166 phd021813s


Redaktør: Denne e-postadressen er beskyttet mot programmer som samler e-postadresser. Du må aktivere javaskript for å kunne se den.å

Om: Info om Geoforskning.no

Annonsere: Informasjon og priser

Kontakt: Kontaktinformasjon Tips oss

Webløsning ©2013-15 av Web Norge. Skjerm: