Первая часть.
Сейсмические скорости
Тектоника плит дает некоторые указания на то, что именно можно получить при картировании верхней мантии. Под срединно-океаническими хребтами, вулканическими областями и районами типа Красного моря, где на континентах в литосферных плитах нарождаются новые рифты, сейсмические скорости должны быть низкими; это области, где горячее, менее плотное вещество мантии поднимается к поверхности, расплавляясь по мере поднятия.
Под стабильными континентальными «щитами», где плиты находятся на поверхности миллиарды лет и потому достаточно остыли, следует ожидать аномально высоких скоростей распространения сейсмических волн — по крайней мере в верхней части мантии. На больших глубинах «быстрые» аномалии должны обнаруживаться в областях, охлажденных при субдукции (пододвигании под континент) океанической литосферы, которая остыла во время пребывания у поверхности.
Результаты в известной степени подтверждают эти предсказания. На глубине 150 км ученые обнаружили низкие сейсмические скорости под большинством крупных активных тектонических и вулканических областей, включая срединно-океанические хребты. Напротив, Канадский, Бразильский, Сибирский, Африканский и Австралийский щиты относятся к «быстрым».
В действительности различия в скоростях настолько велики, что не могут быть объяснены только влиянием температуры; на этих глубинах должны существовать — и уже обнаружены — горизонтальные вариации либо минерального состава, либо протяженности зон плавления в мантии.
Быстрые волны
Результаты ученых говорят о том, что карты аномалий сейсмических скоростей достаточно точно определяют положение горячих и холодных областей, а значит, и положение восходящих и нисходящих течений в мантии.
Однако эти карты не могут дать достаточно информации об одном звене конвективной циркуляции — горизонтальном перемещении погруженного материала от глубоководных желобов к срединным хребтам.
К счастью, сейсмические данные могут стать ключом к пониманию и картины горизонтальных течений: надо лишь принять во внимание, что скорость сейсмических волн в мантии зависит от направления, в котором волны пересекают данную область.
Из-за различия в ориентации кристаллов вещества волны распространяются быстрее вдоль отдельных горизонтальных направлений. Это свойство мантии называется азимутальной анизотропией.
Верхние слои мантии, до глубины 400 км, состоят в основном из оливина (железо-магниевого силиката). По отношению к сейсмическим волнам кристаллы оливина анизотропны: одна из осей кристалла заметно «быстрее» двух других.
Когда кристаллы ориентированы случайным образом, эффекты их анизотропии взаимно погашаются. Полевые наблюдения показали, однако, что в мантийных течениях кристаллы оливина проявляют тенденцию к упорядочению.
В больших объемах мантии «быстрые» оси кристаллов оливина выстраиваются по направлению течения; это напоминает намагничивание куска железа во внешнем магнитном поле.
Картируя «быстрые» направления сейсмических волн, можно понять, как устроены и горизонтальные потоки в мантии.
До появления сейсмической томографии
До появления сейсмической томографии геофизики не имели прямого способа картирования конвекции в мантии. Используя данные сети сейсмических станций в зонах, подверженных землетрясениям, они могли определить средние значения сейсмических скоростей, температуры и плотности на различных глубинах; лишь в немногих регионах удавалось выявить протяженные зоны горизонтальных вариаций этих свойств. Данные и методы анализа, необходимые для построения мировых карт горизонтальных неоднородностей, отсутствовали.
Не имея данных прямых наблюдений, исследователи извлекали сведения о мантии косвенным путем — из наблюдений на поверхности Земли. В основном анализировались вариации силы тяжести в сочетании с рельефом поверхности. Ожидалось, что горячему восходящему течению в целом должны отвечать аномально высокая сила тяжести и возвышение рельефа. Загвоздка, однако, в том, что и сила тяжести, и аномалия рельефа — это результирующие функции вариации плотности с глубиной.
Другими словами, наблюдающиеся аномалии силы тяжести или уровня поверхности могут быть связаны с аномалиями массы на любых глубинах и, таким образом, не позволяют однозначно определять аномалии плотности, которые и порождают конвекцию в мантии.
Сейсмическая томография
Сейсмическая томография допускает обращение принятой ранее последовательности анализа: вместо того чтобы находить аномалии плотности в мантии по данным о поле силы тяжести, можно использовать сейсмические данные о распределении плотности для объяснения наблюдаемых вариаций силы тяжести.
Основываясь на результатах двух независимых исследований по томографии — работы Клэйтона и Р. Комера из КТИ, с одной стороны — с другой, Хэгер и его коллеги показали, что крупномасштабные вариации поля силы тяжести — обширные положительные аномалии в центральной части Тихого океана и Африке и отрицательные аномалии в Индийском океане и Антарктике — могут быть отнесены насчет больших аномалий плотности в нижней мантии.
В то же время небольшие по размерам аномалии поля силы тяжести, вероятно, могут, по крайней мере частично, возникать из-за вариаций плотности в верхней мантии. На наших картах видно, что под положительными гравитационными аномалиями в Северной Атлантике (между Исландией и Азорскими островами), в Южной Атлантике (вокруг островов Тристан-да-Кунья) и в юго-западной части Индийского океана (между Мадагаскаром и Кергеленом) на глубине 200 — 400 км в мантии находятся «медленные» области, отвечающие горячим, бьющим вверх струям, так называемым «плюмажам»; горячий плюмаж в верхней мантии, вероятно, частично ответствен за гравитационную аномалию в центральной части Тихого океана, происхождение которой Хэгер относит насчет нижней мантии.
Хотя полученные учеными результаты поразительно отличаются от результатов «обычной» сейсмологии, существующая редкая сеть цифровых сейсмических станций не позволяет повысить разрешающую способность томографии по поверхностным волнам даже в пределах верхних слоев мантии.
