Сейсмические исследования выявили древние «острова» глубоко в мантии Земли

Глубоко в мантии Земли есть два огромных «острова» размером с континент. Новое исследование Утрехтского университета показывает, что эти регионы не только горячее, чем окружающее их кладбище холодных затонувших тектонических плит, но и что они должны быть древними: им не менее полумиллиарда лет, а может быть, и больше.

Эти наблюдения противоречат идее хорошо перемешанной и быстротекущей мантии Земли, теории, которая все больше подвергается сомнению. «В мантии Земли меньше потока, чем принято считать». Это исследование было опубликовано в журнале Nature.

Крупные землетрясения заставляют всю Землю звенеть как колокол с разными тонами, как музыкальный инструмент. Сейсмологи изучают глубинные недра Земли, исследуя, насколько эти тоны «расстроены», потому что колебания всей Земли будут звучать расстроенными или менее громкими, когда они сталкиваются с аномалиями.

Таким образом, сейсмологи смогут делать снимки недр нашей планеты, подобно тому, как врач в больнице может «видеть» ваше тело насквозь с помощью рентгеновских лучей.

В конце прошлого века анализ этих колебаний показал существование двух подземных «суперконтинентов»: один под Африкой, другой под Тихим океаном, оба скрытые более чем на две тысячи километров под поверхностью Земли.

«Никто не знает, что это такое, и являются ли они лишь временным явлением или существуют уже миллионы или даже миллиарды лет», — говорит Арвен Деусс, сейсмолог и профессор структуры и состава глубоких недр Земли в Утрехтском университете в Нидерландах. «Эти два крупных острова окружены кладбищем тектонических плит, которые были перемещены туда в результате процесса, называемого «субдукция», когда одна тектоническая плита ныряет под другую и погружается от поверхности Земли на глубину почти три тысячи километров».

«Мы уже много лет знаем, что эти острова расположены на границе между ядром Земли и мантией. И мы видим, что сейсмические волны там замедляются». Поэтому ученые-геологи называют эти регионы «Крупными провинциями с низкой сейсмической скоростью» или LLSVP. Волны замедляются, потому что LLSVP горячие, точно так же, как в жаркую погоду вы не можете бежать так же быстро, как в холодную», - объясняют ученые. 

Деусс и Суджания Талавера-Соза хотели узнать больше об этих регионах.

«Мы добавили новую информацию, так называемое «затухание» сейсмических волн, представляющее собой количество энергии, которое волны теряют при прохождении через Землю. Для этого мы не только исследовали, насколько сильно тона были расстроены, но и изучали громкость их звука», - говорят они.

«Вопреки нашим ожиданиям, мы обнаружили небольшое затухание в LLSVP, из-за чего тона звучали там очень громко. Но мы обнаружили большое затухание на холодном кладбище из плит, где тона звучали очень тихо», - отмечает Талавера-Соза. «В отличие от верхней мантии, где мы обнаружили именно то, что и ожидали: там жарко, а волны затухают. Точно так же, когда на улице жаркая погода и вы выходите на пробежку, вы не только замедляетесь, но и устаете больше, чем когда на улице холодно».

Их коллега Лора Кобден, которая специализируется на минералах, которые мы находим глубоко в Земле, предложила изучить размер зерна LLSVP. По словам их американского коллеги Ульриха Фаула, температура сама по себе не может объяснить отсутствие высокого затухания в LLSVP.

«Размер зерна гораздо важнее. Погружающиеся тектонические плиты, которые оказываются на кладбище плит, состоят из мелких зерен, поскольку они перекристаллизовываются на своем пути вглубь Земли», - говорит Деусс. «Малый размер зерна означает большее количество зерен и, следовательно, большее количество границ между зернами. Из-за большого количества границ между зернами в могильнике плит мы обнаруживаем большее затухание, поскольку волны теряют энергию на каждой границе, которую они пересекают. Тот факт, что LLSVP показывают очень малое затухание, означает, что они должны состоять из гораздо более крупных зерен».

Эти минеральные зерна не растут за одну ночь, что может означать только одно: LLSVP намного и намного старше окружающих кладбищ плит. Даже более того: LLSVP, с их гораздо более крупными строительными блоками, очень жесткие. Поэтому они не принимают участия в мантийной конвекции (потоке в мантии Земли).

Таким образом, вопреки тому, чему нас учат книги по географии, мантия также не может быть хорошо перемешана. Талавера-Соза говорит: «В конце концов, LLSVP должны быть способны выживать в мантийной конвекции тем или иным способом».

Знание мантии Земли необходимо для понимания эволюции нашей планеты. «А также для понимания других явлений на поверхности Земли, таких как вулканизм и горообразование», — добавляет Деусс. «Мантия Земли — это двигатель, который управляет всеми этими явлениями. Возьмем, к примеру, мантийные плюмы, которые представляют собой большие пузыри горячего материала, поднимающиеся из глубоких недр Земли, как в лавовой лампе». Когда они наконец достигают поверхности, они вызывают вулканизм, как под Гавайями. «И мы думаем, что эти мантийные плюмы берут начало на краях LLSVP».

В этом типе исследований сейсмологи эффективно используют колебания, вызванные действительно крупными землетрясениями, предпочтительно землетрясениями, происходящими на большой глубине, такими как Великое землетрясение в Боливии 1994 года.

«Об этом так и не написали в газетах, поскольку это произошло на большой глубине — 650 км — и, к счастью, не привело к каким-либо разрушениям или жертвам на поверхности Земли», — объясняет Деусс.

Все колебания Земли, или тоны, математически описываются таким образом, что мы можем легко «прочитать» затухание (т. е. насколько громкими являются колебания) из-за определенной структуры и отделить его от скорости волны (т. е. насколько она расстроена).

«Что впечатляет, поскольку затухание сигнала составляет всего одну десятую от общего объема информации, которую мы можем извлечь из этих колебаний». Для такого рода исследований не обязательно ждать, пока произойдет еще одно землетрясение. Данные о предыдущих землетрясениях столь же полезны.

«Мы можем вернуться в 1975 год, поскольку с того года сейсмометры стали достаточно хороши, чтобы предоставлять нам данные настолько высокого качества, что они стали полезны для наших исследований», - отметили ученые.