• Виктор
  • Статьи
  • 2 мин. чтения

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


Области низкой скорости распространения поперечных волн в мантии Земли, по данным сейсмической томографии. / © Sanne Cotaar / Автор: Plinia Abito

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.


Source: https://lib.zaplata.ru/geolog/na-seismogrammah-vysokogo-razresheniia-razgliadeli-detali-zagadochnyh-neodnorodnostei-v-nijnei-mantii-zemli.html

Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии
guest

Геологи подтвердили, что древняя Земля могла быть покрыта океаном

©Martin Kornmesser, ESO / Автор: Caristania Fabricius Древняя Земля мало походила на знакомую нам цветущую планету. Некогда суша...

Предсказана катастрофа земной атмосферы

©Jimi Moso / Автор: Александр Литвинов Атмосфера современной Земли более чем на 20 процентов состоит из чистого молекулярного...

Первым миграциям человека из Африки способствовала крупнозернистая пыль

На карте показан регион Леванта (заштрихован оранжевым), который является западной частью общей области Плодородного полумесяца (заштрихован желтым); области...

Ученые узнали, как образовался антарктический лед

Ученые узнали, как образовался антарктический лед / ©Getty images / Автор: Telestis Scaevinius Во времена раннего кайнозоя Земля...

«Поющая» лава поможет предсказанию опасных извержений

Поток лавы, вырвавшийся с вершины Килауэа в 2018 году /©USGS / Автор: Plinia Abito Когда большой фрагмент породы...

Геохимики рассказали о круговороте земной коры

Куски базальта в мантии напоминают шоколадные прослойки в мраморном пироге / Yang, Humauyn & Salters, Science Advances, 2020...

Рекордное озеленение: за 30 лет площадь растительности в Гренландии удвоилась

Вид на коммуну Тасиусак в Гренландии / © Encyclopædia Britannica Исследователи из Лидского университета (Великобритания) выяснили, насколько преобразилась...

В Восточной Антарктиде обнаружили потерю крупного озера

Остался только треснувший лед, когда-то покрывавший озеро / © Университет Тасмании / Автор: Lampronia Auxilius В Восточной Антарктиде...

Новая гипотеза связала тектонику плит с Луной и Солнцем

©NASA / Автор: Regulus Tremerus Земная кора состоит из блоков, тектонических плит, которые находятся в непрерывном медленном движении....

Тяжесть мегаполисов вызывает понижение уровня суши

©Don McCullough / Автор: Иван Беляев Большая часть человечества проживает неподалеку от побережья — в регионах, чувствительных к...

На Земле все меньше кислорода: причина — прохладный климат последнего миллиона лет

Пузырьки древнего воздуха в образце льда под микроскопом / ©Yuzhen Yan / Автор: Sycophanta Duccius Ученые из США...

Ученые обнаружили самые ранние геохимические свидетельства тектоники литосферных плит

© Flickr / Автор: Sycophanta Duccius Земная кора и верхний слой мантии под ней разделены на литосферные плиты....

Ученые удревнили тектонику плит до времен возникновения жизни на Земле

В Персидском заливе сталкиваются две тектонические плиты: Аравийская (в нижней части снимка) приближается к Евразийской (в верхней части...

Массовое вымирание 444 миллиона лет назад связали с резким уменьшением концентрации кислорода по всей Земле

Сланцевые и кремниевые отложения, обнаруженные на реке Пил (Юкон, Канада) и сформировавшиеся во времена позднего ордовикского периода и...

Землетрясение впервые удалось зафиксировать с воздушного шара. Эта технология пригодится венерианским зондам

©NASA, JPL / Автор: Анастасия Кожевникова Серию экспериментов специалисты JPL провели еще в 2019 году, но обработка их...

В центре ядра Земли открыли необычное мини-ядро

Лучами показаны сейсмические волны, с помощью которых ученые выявили ядро внутри земного ядра / ©Drew Whitehouse, National Computational...

Человечество может начать добычу полезных ископаемых со дна океана уже через год

Добывающая платформа в океане / © dawnnet.org / Автор: Никита Тарасов Науру — карликовое государство площадью всего в...

Геологи построили изображение внутреннего ядра Земли

Внутреннее ядро Земли, обработанное сейсмическими волнами PKIKP для двух разных регионов. Выборка траектории лучей PKIKP для внутреннего ядра,...

Соленость воды оказалась ключевым фактором замерзания полярных морей

©Monja Šebela, Copernicus Sentinel-2 / Автор: Pinaria Caprarius Зимний холод остужает приповерхностные слои воды. Но это еще не...

Геологи нашли древнюю тектоническую мегаплиту

Океаническая плита Понтус и ее местоположение в древнем Тихом океане 120 миллионов лет назад / © www.eurekalert.org /...