Среди загадочных мантийных образований есть два огромных “суперконтинента”, погребенных на глубине тысяч километров под земной корой среди остатков древних тектонических плит, рассказывает CNN. Один суперконтинент находится под Африкой, а другой — глубоко под Тихим океаном. Используя новый метод анализа данных о землетрясениях, исследователи недавно раскрыли ранее неизвестные подробности об этих обширных островных регионах, показав, что они могут служить якорями в мантии нашей планеты и что они могут быть намного старше, чем считалось ранее.
Это открытие дополняет растущее число свидетельств, свидетельствующих о том, что каменистая мантия не так хорошо перемешана внутренними процессами Земли, как считалось ранее. А скрытые структуры или скопления несвязанного материала, такие как эти суперконтиненты, могут влиять на активность мантии, включая движение плит, способами, которые еще предстоит понять, сообщили ученые в конце января в журнале Nature.
“Эти результаты будут способствовать лучшему пониманию конвекции мантии и тектоники плит и, следовательно, явлений, с которыми мы сталкиваемся на поверхности, таких как землетрясения и вулканизм”, — рассказывает Клэр Ричардсон, докторант Школы исследований Земли и космоса при Университете штата Аризона, которая не принимала участия в новом исследовании.
“Изучение физических, термических и химических свойств горных пород на глубине около 3000 км под нашими ногами при экстремальных температурах и давлении является, мягко говоря, сложной задачей, — комментирует Ричардсон CNN. — Открытых вопросов предостаточно, и каждое новое исследование приближает нас к пониманию того, что на самом деле происходит там, внизу”.
Исследователи впервые заметили подземные суперконтиненты около 50 лет назад, когда они появились как аномалии в сейсмических данных, генерируемых землетрясениями, достаточно мощными, чтобы отправить эхо по всей планете. Когда сейсмические волны сталкиваются с необычными структурами в мантии, изменения скорости волн дают сейсмологам представление о глубоких недрах Земли.
За прошедшие десятилетия сейсмические данные показали, что эти суперконтиненты составляют около 20% от границы мантии и ядра. Каждый из погребенных островов простирается на сотни тысяч миль, а в некоторых местах они возвышаются почти на 965 километров в высоту. Однако мало что было известно о том, из чего они состояли, когда они затонули и какую роль они могли играть в мантийном течении, известном как конвекция, говорит доктор Суджания Талавера-Соза, ведущий автор нового исследования и исследователь наук о земле и сейсмологии в Утрехтском университете в Нидерландах.
“Их происхождение и вопрос о том, являются ли они долгоживущими структурами, широко обсуждается”, — поясняет Талавера-Соза.
Более ранние исследования были сосредоточены на скорости сейсмических волн, и показали, что скорость волн замедлилась примерно на 2% по достижении суперконтинентов. Это замедление сейсмических волн побудило геологов назвать регионы крупными провинциями с низкой скоростью сдвига (LLSVP).
По словам Талавера-Созы, снижение скорости сейсмических волн указывает на то, что эти мантийные зоны были более горячими, чем окружающие их породы. Но было неизвестно, отличались ли эти LLSVP структурно от близлежащих регионов. Ученые также не были уверены, были ли суперконтиненты активно вовлечены в конвекцию, или же они представляли собой “своего рода плотные груды, которые просто лежали бы там”, рассказывает соавтор исследования доктор Арвен Дейсс, профессор структуры и состава глубоких недр Земли в Утрехтском университете.
“Об этом не было никакой информации, — сказал Дьюсс. — Мы знали только, что сейсмические волны замедлились”.
В новом исследовании авторы использовали другой подход к изучению LLSVP, чтобы выяснить, могут ли они получить подробную информацию о составе и активности зон. Они наблюдали за ослаблением, или интенсивностью, сейсмических сигналов по мере прохождения через мантию, чтобы понять, сколько энергии теряется при землетрясениях.
Как отмечает доктор Дейсс, в музыке затухание сравнимо с затуханием тона, что приводит к снижению громкости. Изучение затухания волн — наряду с изменениями скорости волн — может дать ранее неизвестные подсказки о структуре LLSVP. Талавера-Соза добавляет, что наилучшие данные для этого получены по волнам, возникающим при землетрясениях магнитудой 7,8 и выше.
Известно, что скорость волн и потери энергии зависят от размера зерен минерала, а также от температуры, поэтому авторы использовали физическую модель, связывающую сейсмологию и физику минералов. Волны затухают сильнее, когда они сталкиваются с материалом, состоящим из более мелких зерен; если много зерен упаковано вместе, между зернами образуется больше границ, которые могут истощить энергию волны.
Другие исследования показали, что суперконтиненты располагались в глубинах мантии. Дейсс утверждает, вокруг них были “кладбища” затонувших тектонических плит. Они были холоднее, чем LLSVP, поэтому сейсмические волны проходили через них быстрее. Однако новая модель показала, что, хотя скорость сейсмических волн упала, когда они достигли LLSVP, они не потеряли много энергии. Для сравнения, на более холодных кладбищах вокруг LLSVP наблюдалось значительное затухание.
Исследователи полагают, что эти различия объясняются сравнительным возрастом структур. На протяжении миллионов лет, по мере того как скалистый материал проникает через границу между верхней и нижней мантией, кристаллы минералов сжимаются и преобразуются в более мелкие зерна, которые затем со временем снова вырастают. Таким образом, более молодые регионы имеют кристаллы меньшего размера, которые поглощают больше энергии от сейсмических волн, поэтому степень затухания в регионе указывает на его возраст.
“Тот факт, что LLSVP демонстрируют очень слабое демпфирование, означает, что они должны состоять из гораздо более крупных зерен, чем их окружение”, — поясняет Талавера-Соза. Согласно исследованию, более крупные минеральные зерна свидетельствовали о том, что суперконтиненты были значительно старше тектонических могил вокруг них, поскольку у их зерен должно было быть больше времени для роста. Более крупные строительные блоки также сделали бы суперконтиненты более жесткими, отделив их от конвекции мантии или перемещения материалов в этом слое за счет теплопередачи.
“Наше исследование указывает на то, что LLSVP являются долгоживущими объектами, возраст которых составляет по меньшей мере полмиллиарда лет, а возможно, и больше, — рассказывает Талавера-Соза. — Это означает, что они действуют как якоря у основания границы ядро-мантия и пережили мантийную конвекцию, а это означает, что мантия не очень хорошо перемешана”.
Это открытие следует за другим недавним открытием о еще большем количестве “затонувших миров”, которые противоречат представлению о смешанной мантии. Погребенные плиты на тектонических кладбищах, как правило, скапливаются в соответствии с зонами субдукции Земли — областями, где сходятся края двух плит и где одна проскальзывает под другой. Но ранее в этом году другая группа ученых обнаружила затонувшие тектонические плиты далеко от этих границ, в местах под внутренними частями континентов и под океанами, где затонувшие плиты никогда раньше не находили.
“По-видимому, такие зоны в мантии Земли распространены гораздо шире, чем считалось ранее”, — комментирует Томас Шоутен, ведущий автор этого исследования и научный сотрудник Геологического института ETH Zurich, Швейцарского федерального технологического института.
Модель, представленная в новом исследовании, — первая трехмерная модель затухания для всей мантии — поможет сейсмологам лучше понять, что находится в тысячах километров под поверхностью Земли, добавляет Клэр Ричардсон. “Она отображает регионы Земли, которые ослабляют сейсмическую энергию, что в конечном итоге влияет на измерения, которые многие сейсмологи используют для понимания других физических и химических свойств недр Земли”, — сказала она.
Арвен Дейсс отмечает, что полученные результаты могут изменить понимание исследователями тектоники плит и того, как движение плит может формироваться этими древними неподвижными якорями вблизи ядра Земли. Дальнейший анализ суперконтинентов также может показать, являются ли они источником геохимических элементов, почти таких же древних, как сама Земля, которые содержатся в лаве определенных типов вулканов, добавила она.
“Эти LLSVP существуют уже долгое время — если они существуют миллиард лет, то, возможно, они существуют и 4 миллиарда лет. Они вполне могут быть тем скрытым резервуаром, в котором могут находиться эти первичные химические элементы. Сейчас мы не можем этого доказать, но геохимики могут это исследовать, — говорит Дейсс. – Я думаю, что в результате этого исследования будет проведено множество дополнительных исследований, которые могут дать ответы на многие нерешенные вопросы, которые веками ставили ученых в тупик”.
Источник: mk.ru
