На сейсмограммах высокого разрешения разглядели детали загадочных неоднородностей в нижней мантии Земли

Земная мантия — интересная и малоисследованная оболочка Земли, лежащая между корой и металлическим ядром. Представление о том, что под земной корой скрывается лишь равномерная каменная толща, далеко от истины: мантия состоит из нескольких слоев, каждый из которых обладает своими особенностями и неоднородностями. Изначально мантия была сложена ультраосновными силикатными и алюмосиликатными породами, такими как оливин, пироксен, плагиоклаз и продукты их трансформации высоким давлением.

Мантия находится в состоянии вязкопластичной конвекции : огромные массы горных пород перемешиваются на масштабах времени в десятки миллионов лет. Конвективные потоки переносят тепло от раскаленного ядра к поверхности, проходят через все слои мантии, претерпевая при этом изменения состава и свойств, и взаимодействуют со всеми встречающимися «по пути» структурами, такими как остатки литосферных плит, погрузившиеся в нее при субдукции.

Все, что мы знаем о структуре мантии, получено из сейсмических данных. Сейсмические волны преломляются и отражаются структурами мантии, и последовательность волн, зарегистрированных вдали от источника землетрясения, несет в себе информацию обо всех структурах, через которые прошли волны.

Схема распространения различных сейсмических волн в Земле. Focus of earthquake – точка, в которой произошло землетрясение. Основные процессы – рефракция (изгиб) при распространении в среде с изменяющейся плотностью, и отражение на границах разнородных слоев. / © http://pubs.usgs.gov/gip/interior/fig2.gif

В нижней части мантии сейсмологи нашли необычные структуры — так называемые крупные области с пониженной скоростью сдвига (large low-shear velocity provinces) и участки сверхнизкой скорости (Ultra-low velocity zones).

Точная природа аномалий неизвестна, но причины их возникновения могут быть как внутренними, так и внешними. Эти области могут быть основаниями мантийных плюмов или «кладбищами» литосферных плит, которые погрузились на самое дно мантии, а могут быть продуктом взаимодействия земного ядра с мантией или даже фрагментами мантии протопланеты Тейи, столкновение с которой породило Луну. Высокая плотность горных пород в областях пониженной скорости говорит против первых двух версий и в пользу последних двух.

В новом исследовании ученые из Кембриджского университета под руководством Чжи Ли (Zhi Li) «рассмотрели» области сверхнизкой скорости с рекордным пространственным разрешением, достигающим десятка километров. Для этого они регистрировали сейсмограммы землетрясений, волны которых проходили через области пониженной скорости «по касательной» и испытывали наибольшее отклонение, после чего проводили компьютерное моделирование распространения исходных волн в недрах Земли. Оригинальная статья с описанием исследования находится в открытом доступе.

Ученые «подгоняли» форму и параметры неоднородности в мантии, чтобы смоделированные сейсмограммы совпали с измеренными, и таким образом реконструировали структуру неоднородности и ее свойства.

Схема распространения сейсмических волн, использованных для исследования. Пунктирные окружности – границы слоев на глубинах 410 и 660 км, цвет отражает относительную аномалию скорости распространения поперечных волн (красный – замедление, синий – ускорение) / Рисунок из оригинальной статьи https://www.nature.com/articles/s41467-022-30502-5.pdf

Выяснилось, что лучше всего моделям соответствуют плоские «блины» шириной в несколько сотен километров и толщиной десятки километров. Скорость низкочастотных волн, отражающих структуру на крупных масштабах, падает в этих зонах на 20%, а высокочастотных, чувствительных к мелким неоднородностям, — на 40%.

При этом волны сдвигаются преломлением в сторону центра Земли, и высокочастотные волны сдвигаются сильнее низкочастотных. Это соответствует слоистой структуре: по-видимому, в зоне сверхнизкой скорости, где сейсмические волны и так замедляются, присутствует нижний слой толщиной в несколько километров: там скорость волн падает еще сильнее.

Схематическое изображение области сверхнизкой скорости и распространения сейсмических волн в ней. Pacific LLVP в левой части – тихоокеанская область с низкой скоростью сдвига, ULVZ – область сверхнизкой скоростью, CMB – граница ядра и мантии. / Рисунок из оригинальной статьи https://www.nature.com/articles/s41467-022-30502-5.pdf.

Авторы работы не делают однозначных выводов о природе изученных областей, но склоняются в пользу внутренних процессов. Они подчеркивают, что высокая плотность их пород должна быть связана с повышенным содержанием железа (которое в горных породах замещает гораздо более легкий магний).

Мантия Тейи — менее крупного и дифференцированного небесного тела, чем Земля — могла быть обогащена железом, но ее фрагментами трудно объяснить резкое понижение скорости волн в самом нижнем и очень тонком слое неоднородности.

Напротив, «растворение» земного ядра подходит больше: металлическое железо может окисляться на его границе, входя в состав горных пород, и тогда самый нижний слой горных пород будет наиболее обогащенным. Это могут подтверждать и измеренные изотопные аномалии лавы гавайских вулканов, расположенных в 2900 километрах над исследованной зоной, но связанных с ней мантийным плюмом.