17.06.2020

На границе мантии и ядра

Необычно плотные горячие скальные структуры на границе земной мантии и ядра под вулканическими Маркизскими островами в южной части Тихого океана обнаружили геофизики из Университета Мэриленда, Университета Джонса Хопкинса и Тель-Авивского университета, проанализировав отражения сейсмических волн от землетрясений в тихоокеанском регионе. Также они определили, что аналогичная структура под Гавайскими островами намного больше, чем считалось ранее.

"Рассматривая тысячи эхо-сигналов от границы ядра и мантии одновременно, вместо того чтобы сосредоточиться на нескольких за раз, как это обычно делается, мы получили совершенно новую перспективу, - сказал ведущий автор исследования Доён Ким (Doyeon Kim), работающий на факультете геологии в Университета Мэриленда. - Это показывает нам, что у границы мантии и ядра есть много структур, которые могут отражать волны. Раньше мы этого не осознавали, потому что у нас был только узкий взгляд".

Ким и его коллеги рассматривали эхо-сигналы от поперечных сейсмических волн во время прохождения ими границы ядра и мантии. Если в продольных волнах сжатие распространяется вдоль направления движения волны, то при поперечных волнах происходит сдвиг - деформация вещества в направлении поперек движения волны. Скорость продольных волн - от 8 до 13 километров в секунду, поперечных - примерно вдвое меньше. Поперечные волны не проходят через жидкую среду. Так как поперечные волны не распространяются через внешнее ядро Земли (начиная с глубины около 2900 км, так называемой границы Вихерта - Гутенберга), именно это указывает, что вещество там находится в жидком состоянии. На глубине 5120 километров, где начинается твердое внутреннее ядро, поперечные волны возникают вновь.

На границе нижней мантии и внешнего ядра, на глубине 2700-2900 км, находится переходная зона, привлекающая особое внимание геофизиков. Эта зона влияет на конвективное перемешивание в мантии, ответственное за тектонику литосферных плит. Здесь силикатные породы земной мантии сменяются железо-никелевыми породами ядра. Предполагается, что в переходной зоне перовскитоподобные силикаты мантии под высоким давлением переходят в особую фазу, которую называют постперовскитом. Подробнее о химических и минералогических изменениях на границе земной мантии и внешнего ядра можно прочитать в лекции Артема Оганова "Строение и химия Земли".

Изменение фазы от перовскита к постперовскиту может быть источником сейсмических разрывов в переходной зоне, а их отслеживание помогает ответить на целый ряд вопросов - например, какое количество тепла выделяется из ядра Земли, достигают ли плиты океанической коры, погружаясь в ходе субдукции, оснований мантии, и связана ли неустойчивость конвекционных потоков в нижней мантии с восходящими тепловыми потоками, влияющими на вулканическую активность.

Среди аномалий переходной зоны выделяются области, где скорость поперечных волн оказывается необычно низкой (ultra low velocity zones), она падает примерно на 10-30% по сравнению с окружающими областями на той же глубине. Размер зон с низкой скоростью поперечных волн достигает сотен и даже тысяч километров. Такие зоны особенно сконцентрированы в двух частях земного шара, называемых Африканской и Тихоокеанской провинциями, африканская провинция заходит также на территорию, где на поверхности Земли расположен Атлантический океан. С этими зонами связано расположение "горячих точек" - областей активного вулканизма, получающих подпитку из глубоких слоев мантии. Зоны низких скоростей имеют более высокую плотность, чем их окружение. Предполагается, что эти зоны обогащены железом, но происхождение этого железа неясно. Оно может проникать из ядра или сверху в ходе субдукции океанской коры.

Наиболее крупная зона низких скоростей поперечных волн - гавайская. До последнего времени считалось, что ее размер - около 1000 км, а толщина - 20 км, по результатам нынешнего исследования стало ясно, что зона еще больше. Снижение скорости поперечной волны в гавайской зоне составляет примерно 20%, что указывает на высокую плотность вещества. Еще одна известная зона лежит под островами Самоа. Ее размер - примерно 800 на 250 км, а толщина - 10-15 км. Скорость поперечных волн там падает на 45%.

В записи одного землетрясения (сейсмограмме) эхо от поперечных волн трудно отличить от случайного шума. Но одновременное рассмотрение множества сейсмограмм от разных землетрясений может выявить сходства и закономерности, которые идентифицируют эхо-сигналы. Выполнить эту задачу ученые смогли при помощи алгоритма машинного обучения Sequencer. Они проанализировали 7000 сейсмограмм сотен землетрясений силой 6,5 баллов и более, произошедших вокруг бассейна Тихого океана в период с 1990 по 2018 год, и проанализировали распространение поперечных сейсмических волн, выявив большое количество зон необычно низких скоростей поперечных волн.

Авторы работы заключают, что подобные аномалии встречаются значительно чаще, чем думали ученые раньше. Размер гавайской зоны оказался больше, а под Маркизскими островами была обнаружена еще одна аналогичная зона, о существовании которой раньше не догадывались.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.

Максим Руссо

Источники:

1. Полит.ру