Многие сейсмологи и исследователи долгое время считали, что Земля обладает быстротекущей и хорошо перемешанной мантией. Но эта теория может потребовать некоторых изменений в соответствии с новыми открытиями исследователей из Утрехтского университета в Нидерландах. Их доказательства получены на основе данных о паре затонувших «неправильных» геологических островов размером с континент, расположенных внутри «кладбища» тектонических плит на глубине 550 метров под поверхностью планеты.
Их исследование, опубликованное 22 января в журнале Nature, основано на звуках, которые возникают во время сильных землетрясений и заставляют Землю вибрировать, как гигантский колокол. Как объясняется в сопроводительном университетском объявлении, сейсмологи изучают недра планеты, анализируя акустические сигналы этих колебаний. Затем эксперты могут выявлять аномалии, основываясь на том, расстроены ли регионы или их громкость снижена.
Более 25 лет назад исследователи обнаружили, что некоторые из этих глубинных колебаний указывают на существование двух подземных «суперконтинентов» в сотнях миль под Африкой и Тихим океаном. В то время учёные не были уверены, были ли эти образования вблизи границы между мантией и ядром Земли временным явлением или они существовали там миллионы или миллиарды лет. Однако они знали, что окружает эти загадочные образования.
«Эти два больших острова окружены кладбищем тектонических плит, которые были перенесены туда в результате процесса, называемого субдукцией», — объяснила соавтор исследования и сейсмолог из Утрехтского университета Арвен Деусс в заявлении, опубликованном в четверг. Во время субдукции одна тектоническая плита смещается под другую, опускаясь с поверхности Земли почти на 570 метров.
Два субконтинента, а также любые другие области, в которых замедляются сейсмические волны, известны как крупные провинции с низкой сейсмической скоростью, или LLSVP. Одна из основных причин замедления акустических волн в LLSVP заключается в том, что температура в LLSVP выше, чем в окружающей среде. Дюсс и его коллеги сосредоточились на способности LLSVP «гасить» сейсмические волны, имея в виду потерю энергии при прохождении волн через планету. Они обращали особое внимание на то, где тональность становилась фальшивой, а также на то, насколько громкими или тихими они становились во время их путешествий.
«Вопреки нашим ожиданиям, мы обнаружили слабое демпфирование в LLSVP, из-за чего звуки там звучали очень громко, — объяснила соавтор исследования Суджания Талавера-Соса. — Но мы обнаружили сильное демпфирование на кладбище холодных плит, где звуки звучали очень тихо».
Это контрастировало с показаниями, полученными в верхней мантии, которые выглядели ожидаемо — затухающие волны из-за более высоких температур. Талавера-Соса сравнила эту разницу с пробежкой в жаркую или холодную погоду. В жаркую погоду бегуны, как правило, замедляются и быстрее устают, чем при более низких температурах.
Коллеги предложили перейти от изучения температур к исследованию минерального состава LSVP, в частности, размеров отдельных зёрен. По словам Дюэсса, размер зёрен оказался «гораздо более важным».
Дойсс объяснил, что LLSVP на кладбище плит состоят из мелких зёрен, которые образовались после перекристаллизации минералов во время погружения каждой формации в недра планеты. Чем меньше зёрна, тем их больше, а также больше крошечных промежутков между ними. Любые акустические волны, проходящие через эти формации, теряют энергию при прохождении через множество границ зёрен, что приводит к большему затуханию. Но поскольку два LLSVP затухали очень слабо, размер их зёрен должен быть намного больше.
Более крупные зёрна также указывают на то, что эти LLSVP гораздо древнее, чем предполагали исследователи, — по крайней мере, им не менее 500 миллионов лет, а возможно, и более 1 миллиарда лет. Эти минеральные зёрна также гораздо более твёрдые, что позволяет им противостоять потоку в мантии Земли, называемому мантийной конвекцией.
«В конце концов, LLSVP должны быть способны так или иначе пережить мантийную конвекцию», — сказал Талавера-Соса.
Недавние открытия противоречат описаниям очень жидкой и хорошо перемешанной мантии, которые можно найти в большинстве учебников по геологии. Такой потенциально важный сейсмологический пересмотр выходит далеко за рамки состава, возраста и движения LLSVP. Понимание того, как эти массивные образования увеличиваются в размерах и взаимодействуют с окружающей средой, помогает лучше понять эволюцию Земли как планеты. Это также влияет на внутреннюю работу вулканов и гор.
«Мантия Земли — это двигатель, который управляет всеми этими явлениями», — сказал Дюсс, приведя в качестве примера мантийные плюмы. Эти большие объёмы расплавленного материала поднимаются из недр Земли, подобно лаве в лампе. Оказавшись вблизи поверхности, эти плюмы способствуют извержениям вулканов.
“Мы думаем, что эти мантийные шлейфы берут начало на краях LLSVPs”, - сказал Дусс.