Геофизики уже давно по крупицам собирают информацию о недоступных глубинах Земли, изучая прохождение сейсмических волн, которые вызываются землетрясениями.
Сейсмические исследования помогли понять многие особенности радиальной структуры Земли. Было выяснено, что наша планета имеет твердое внутреннее ядро, расплавленное внешнее ядро и твердую, но пластичную мантию, перемешиваемую конвективными течениями, которые ответственны за перемещения континентальных и океанических плит.
Эта одномерная картина, однако, оставляет без ответа вопросы, представляющие большой интерес. Например, ничего не известно о природе конвективных течений, об их масштабах, о судьбе литосферных плит, которые погружаются в мантию в океанических желобах.
Томография
В результате быстрого роста объема сейсмических данных, а также благодаря новым возможностям обработки этих данных на ЭВМ, в настоящее время появилась надежда прояснить некоторые детали, необходимые для построения трехмерной картины строения Земли. Новый метод называется томографией и, как свидетельствует его название, аналогичен обычной томографии, использующей для исследования внутренней структуры объекта рентгеновское излучение.
Среда влияет на проходящее через нее излучение, благодаря чему это излучение несет информацию о строении среды. Рентгеновское излучение, используемое, в частности, в томографии, частично поглощается при прохождении через тело: чем плотнее материал, тем сильнее поглощение.
Сейсмические волны, когда они проходят через Землю, затухают незначительно, но их скорость увеличивается в холодном, более плотном веществе и уменьшается в горячем, менее плотном веществе. Поэтому по времени прихода сейсмической волны в точку, где находится прибор, можно определить «скоростную структуру» Земли вдоль пути волны (луча).
Слежение за отдельными лучами дает только средние значения характеристик, но совокупность измерений по многим лучам на пересекающихся путях позволяет локализовать неоднородности, которые с точки зрения сейсмической томографии представляют собой области с аномально высокими или аномально низкими скоростями распространения волн.
С помощью лабораторных исследований вещества, из которого, как считают, сложена земная мантия, аномалии скорости можно связать с аномалиями температуры и плотности. Последние представляют собой вариации температуры и плотности, которые создаются медленными конвективными течениями в мантии. Таким образом, сейсмическая томография в известном смысле дает изображения (в виде цветных карт горизонтальных и вертикальных разрезов) тех могучих процессов, которые отвечают за движение плит.
О волнах
При землетрясениях возникают, во-первых, волны, бегущие по поверхности Земли, и во-вторых, объемные волны, которые проходят через ее недра. Строение Земли до глубин порядка 700 км влияет на скорость прохождения длиннопериодных поверхностных волн, которые поэтому несут информацию о строении верхней мантии.
(Граница между верхней и нижней мантией обычно находится на глубине около 650 км.) Д. Андерсон и его коллеги из Калифорнийского технологического института (КТИ) и А. Дзивонский и Дж. Вудхаус из Гарвардского университета проанализировали поверхностные волны, возникшие в результате 60 землетрясений в период с 1977 по 1982 г. Время прихода этих волн, распространяющихся по лугам большого круга, регистрировалось 20 специальными цифровыми сейсмометрами, расположенными в различных районах земного шара.
О хребтах и мантии
Карты, подготовленные сотрудниками КТИ и Гарварда, дают основание предполагать, что течения в мантии имеют более сложный характер, чем тот, который давали некоторые теоретические модели.
Как и следовало ожидать, срединно-океанические хребты и вулканические области, где горячая магма поднимается к поверхности, подстилаются в верхних слоях мантии низкоскоростными аномалиями, которые соответствуют областям с более высокими по сравнению со средними температурами.
На глубине 250 км, однако, существуют только изолированные низкоскоростные аномалии, которые располагаются под тремя срединно-океаническими хребтами: Срединно-Атлантическим хребтом, Восточно-Индийским хребтом и Восточно-Тихоокеанским поднятием.
На этой глубине, по-видимому, подпитка магмы, поднимающейся к оси хребта, происходит за счет латерального переноса вещества из крупных температурных аномалий, расположенных в глубинах верхней мантии.
В большинстве численных моделей мантийной конвекции предполагалось, что круговое течение, представленное перемещением плиты от хребта, ее субдукцией в мантию и возвращением материала к хребту, происходит в одной вертикальной плоскости. Томографический анализ показывает, что это упрощенное двумерное представление конвекции не соответствует действительности.
О горячих точках
Новые данные явно указывают на важность латерального переноса в мантии как холодного, так и горячего материала. В то же время ряд исследователей обнаружили, что многие поверхностные структуры имеют удивительно мощные и глубокие «корни». Вулканические «горячие точки», такие, например, как Исландия и Гавайские острова, являются, по-видимому, поверхностным проявлением крупных мантийных плюмажей, «заякоренных» на глубинах не менее 300—400 км.
Р. Клейтон из КТИ полагает, что низкоскоростные аномалии, связанные с некоторыми «горячими точками», включая Исландию, могут быть прослежены до глубин не менее 1500—2000 км.
Обработав несколько миллионов данных регистрации объемных сейсмических волн сжатия по 1600 стандартным сейсмографам, разбросанным по всему миру, Клейтон и его коллеги закартировали нижнюю мантию, которая граничит с ядром на глубине 2900 км.
Эти исследования затрагивают один из наиболее остро обсуждаемых в геофизике вопросов: какова природа границы между верхней и нижней мантией?
Некоторые исследователи полагают, что поверхность разрыва на глубине 650 км (на больших глубинах землетрясения не наблюдаются) маркирует границу раздела между двумя различными по химическому составу и несмешивающимися материалами.
Если это так, то конвекция в мантии должна иметь двухслойный характер. С другой стороны, если «горячие точки» на поверхности можно с достоверностью связать с аномалиями ниже границы, то может оказаться, что нижняя мантия «подогревает» верхнюю мантию, а перенос вещества через границу отсутствует; может статься также, что конвективные течения захватывают всю мантию, в то время как разделение ее на два слоя отвечает лишь различию кристаллической структуры слоев.
Группа Клейтона обнаружила, что в нижней мантии, главным образом вблизи ядра, имеется много крупных неоднородностей. Не все из них связаны с «горячими точками», тем не менее, согласно В. Хагеру из КТИ, они проявляются на поверхности.
Хагер показал, что аномалии плотности в нижней мантии при учете их в определенной модели могут объяснить наличие крупномасштабных вариаций гравитационного поля Земли, таких, например, как положительные гравитационные аномалии на Африканском континенте и в центральной части Тихого океана. Из модели Хагера следует, что должен существовать некоторый перенос материала через границу раздела на глубине 650 км.
Несмотря на то что упомянутая модель не является последним словом в спорах о природе конвекции в мантии, работа Хагера показывает, насколько томографический анализ уже изменил характер этой дискуссии.
До сих пор геофизики были вынуждены выявлять аномалии в мантии главным образом по вариациям гравитационного поля и не могли точно определить глубину этих аномалий.
Теперь они получают возможность “увидеть” аномалии, в соответствии с этими данными построить модель мантийной конвекции и использовать гравитационные данные для проверки своих моделей.
