• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
20.05.2022
Иван Лавренов
4 119

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

5.5

Сейсмическая томография высокого разрешения выявила неоднородность структуры областей на границе ядра и мантии с пониженной скоростью сейсмические волн. Самый нижний слой исследованной области замедляет волны еще сильнее, чем остальная область сверхнизких скоростей. Это может быть связано с «растворением» земного ядра на границе мантии.

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

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. Основные процессы - рефракция (изгиб) при распространении в среде с изменяющейся плотностью, и отражение на границах разнородных слоев.
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).
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. Масштабы соблюдены; Pacific LLVP в левой части - тихоокеанская область с низкой скоростью сдвига, ULVZ - область сверхнизкой скоростью, CMB - граница ядра и мантии.
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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 22:15
Василий Парфенов

Канадские палеонтологи завершили изучение уникальных останков детеныша тираннозавра, обнаруженных в провинции Альберта четырнадцать лет назад. Это первая в истории окаменелость молодняка этого семейства, в которой сохранилось содержимое желудка. Благодаря такому везению, ученые смогли наконец подтвердить давно существовавшую гипотезу, согласно которой взрослые особи и детеныши тираннозаврид занимали разные экологические ниши.

Позавчера, 11:43
Александр Березин

В России в рамках комплексной программы развития атомной науки, техники и технологий активно строят МБИР — Многоцелевой научно-исследовательский реактор четвертого поколения на быстрых нейтронах. Это первый в своем роде научно-исследовательский реактор в мировой практике. Почему и за счет чего именно он стал таким?

Вчера, 13:25
Василий Парфенов

Китай и Египет подписали сразу несколько документов, закрепляющих сотрудничество обоих государств в деле освоения космического пространства. Одним из наиболее важных можно назвать соглашение об участии в проекте международной лунной станции. Поднебесная старается привлечь как можно больше партнеров к этой инициативе, формируя своеобразный противовес американским «Соглашениям Артемиды».

Вчера, 22:15
Василий Парфенов

Канадские палеонтологи завершили изучение уникальных останков детеныша тираннозавра, обнаруженных в провинции Альберта четырнадцать лет назад. Это первая в истории окаменелость молодняка этого семейства, в которой сохранилось содержимое желудка. Благодаря такому везению, ученые смогли наконец подтвердить давно существовавшую гипотезу, согласно которой взрослые особи и детеныши тираннозаврид занимали разные экологические ниши.

7 декабря
Александр Березин

На проходящей в Шанхае выставке Marintec China 2023 государственная китайская верфь заявила о намерении построить самый большой в мире атомный контейнеровоз (на 24 тысячи стандартных контейнеров). Необычной чертой 400-метрового гиганта должен стать реактор такого типа, который до сих пор никому не удавалось заставить работать штатно.

Позавчера, 11:43
Александр Березин

В России в рамках комплексной программы развития атомной науки, техники и технологий активно строят МБИР — Многоцелевой научно-исследовательский реактор четвертого поколения на быстрых нейтронах. Это первый в своем роде научно-исследовательский реактор в мировой практике. Почему и за счет чего именно он стал таким?

15 ноября
Александр Березин

Парниковый эффект от американского природного газа, поставляемого в Старый Свет, неожиданно оказался выше, чем от сжигания местного угля. И намного выше, чем от российского газа.

1 декабря
Александр Березин

Судно Yara Eyde станет первым, плавающим только на этом виде топлива, что потребует существенных модификаций судового двигателя. Его токсичность настолько высока, что предельно допустимая концентрация подобного горючего в 15 раз ниже, чем у солярки, применяемой в контейнеровозах сегодня. Производитель решился на столь непростой шаг ради экологии.

22 ноября
Игорь Байдов

Стало известно, почему при взрыве гремучего золота — взрывчатого вещества — появляется эффектный пурпурный дым. Эта тайна волновала умы ученых с XVI века.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: