Древние тектонические плиты просачиваются вдоль ядра Земли

Фото из открытых источников

Когда земная кора разрывается во время сильного землетрясения, это может породить сейсмические волны, которые распространяются по всей планете. Тщательно отслеживая, как эти волны ускоряются или замедляются, проходя через различные слои горных пород и отражаясь от них, сейсмологи могут использовать их как рентгеновские лучи, создавая картину глубинных недр Земли.

Теперь, используя данные о более чем 5000 землетрясениях, исследователи создали, по их словам, наиболее полную на сегодняшний день картину слоя, расположенного на глубине 2900 километров под поверхностью Земли, где глубокая мантия встречается с краем ядра. Она показывает, как плиты тектонических плит, втянутые в мантию сотни миллионов лет назад, накапливаются на поверхности ядра, а затем просачиваются в стороны, вызывая потоки горных пород в самой глубокой части мантии.

«Это позволяет нам понять, как следует рассматривать мантийную систему в целом», — говорит Джонатан Вольф, сейсмолог из Калифорнийского университета в Беркли, представивший результаты исследования на ежегодном собрании Американского геофизического союза.

Граница между ядром и мантией Земли — это не та гладкая поверхность, которую часто изображают в учебниках. Предыдущие сейсмические исследования выявили гигантские структуры, в 100 раз превышающие высоту Эвереста: два аномально горячих образования, выступающих из ядра и называемых крупными областями с низкой скоростью сдвига. Вокруг них расположены более мелкие горообразные зоны, замедляющие сейсмические волны, которые могут представлять собой «кладбища» субдуцированных плит, скопившихся вдоль границы между ядром и мантией.

Сейсмические данные также показали, как выровнены минеральные кристаллы в некоторых частях нижней мантии. Это происходит потому, что сейсмическая волна распространяется быстрее или медленнее через определенные породы в зависимости от того, как ее траектория совпадает с расположением кристаллов внутри породы. Если это свойство — известное как сейсмическая анизотропия — обнаруживается, оно указывает на наличие крупномасштабных потоков, которые деформируют породы и выравнивают их минеральные кристаллы. Его также можно использовать для картирования медленных конвективных процессов в мантии, которые приводят в движение тектонику плит.

Однако измерение сейсмической анизотропии в нижней мантии и картирование выявляемых ею потоков представляет собой сложную задачу. Сейсмические волны, распространяющиеся по правильному пути, встречаются не так уж часто, а когда они проходят через Землю под нужным углом, огибая ядро, этому препятствуют шумы верхней мантии. Ситуацию также усугубляет то, что данные, необходимые для составления этих карт, поступают из десятков сейсмологических центров, разбросанных по всему миру. Геодинамики создают красивые модели внутреннего строения Земли, но, как говорит Вольф, «нам, сейсмологам, было очень трудно подтвердить, верны они или нет».

Чтобы получить более полную картину, Вольф и его коллеги каталогизировали сейсмические данные примерно 5300 землетрясений, произошедших с 1995 года и достаточно сильных, чтобы вызвать ударные волны по всей планете. Составляя карту тонких вариаций скорости, они создали картину, которая местами содержит в 100 раз больше сейсмической информации, чем предыдущие исследования. Они зафиксировали детальные закономерности анизотропии на протяжении трех четвертей нижней мантии, предложив, по словам Вольфа, наиболее полное на сегодняшний день исследование этого региона Земли. «Безусловно, хорошо иметь более глобальное исследование», — говорит Пол Такли, геофизик из Цюрихского технологического института, не принимавший участия в исследовании.

Новое изображение показывает сложную картину текучих горных пород на большей части нижней мантии. Вольф говорит, что нет единой причины для этого, но многие из этих потоков происходят в местах, где, как считается, древние субдуцированные плиты столкнулись с ядром, а затем просачивались вдоль него. «Большая часть наблюдаемой нами анизотропии должна быть связана с этими зонами остатков плит», — говорит Вольф.

Хотя на больших масштабах преобладают затопленные плиты, карта выявляет и другие, более локализованные закономерности. Например, исследователи обнаружили, что необычно горячий регион под Азией, известный как Пермская аномалия, окружен поднимающимися породами. Эта зона может представлять собой источник горячего плюма, подобного тому, который когда-то питал крупные вулканические комплексы, такие как Сибирские траппы — серию масштабных извержений, которые привели к пермскому массовому вымиранию 252 миллиона лет назад. Вольф говорит, что дальнейшее улучшение карты может укрепить связи между глубинами Земли и явлениями на поверхности, такими как все еще загадочные источники вулканизма горячих точек в таких местах, как Йеллоустон и Гавайи.