Как мощните земетресения в Боливия разкриха планини на 660 километра под земята

Всички ученици знаят, че планетата Земя е разделена на три (или четири) големи слоя: кора, мантия и ядро. Това като цяло е вярно, въпреки че това обобщение не взема предвид няколко допълнителни слоя, идентифицирани от учените, един от които например е преходният слой в мантията.

В проучване, публикувано на 15 февруари 2019 г., геофизикът Джесика Ървинг и магистърът Уенбо Ву от Принстънския университет, в сътрудничество със Сидао Ни от Геодезическия и геофизичен институт в Китай, използваха данни, получени от мощното земетресение през 1994 г. в Боливия, за да намерят планините. и други топографски характеристики на повърхността на преходната зона дълбоко в мантията. Този слой, разположен на 660 километра под земята, разделя горната и долната мантия (без официално име за този слой, изследователите просто го нарекоха „660-километровата граница“).

За да „погледнат“ толкова дълбоко под земята, учените са използвали най-мощните вълни на планетата, причинени от силни земетресения. „Имате нужда от силно, дълбоко земетресение, за да разтърсите планетата“, каза Джесика Ървинг, асистент професор по геонауки.

Големите земетресения са много по-мощни от обикновените - чиято енергия се увеличава 30 пъти с всяка следваща стъпка по скалата на Рихтер. Ървинг получава най-добрите си данни от земетресения с магнитуд 7.0 и повече, защото сеизмичните вълни, изпратени от такива големи земетресения, се разпространяват в различни посоки и могат да преминат през ядрото до другата страна на планетата и обратно. За това проучване ключови данни идват от сеизмични вълни, които са записани от земетресение с магнитуд 8.3 по Рихтер - второто най-дълбоко земетресение, регистрирано някога от геолозите - което разтърси Боливия през 1994 г.

„Земетресения с такъв магнитуд не се случват често. Ние сме много щастливи, че сега има много повече сеизмометри, инсталирани по света, отколкото преди 20 години. Сеизмологията също се промени значително през последните 20 години, благодарение на новите инструменти и компютърната мощност.

Сеизмолозите и изследователите на данни използват суперкомпютри, като клъстерния суперкомпютър Tiger на Princeton, за да симулират сложното поведение на разпръскването на сеизмични вълни дълбоко под земята.

Технологиите се основават на основните свойства на вълните: тяхната способност да се отразяват и пречупват. Точно както светлинните вълни могат да отскочат (отразят) от огледало или да се огънат (пречупят), когато преминат през призма, сеизмичните вълни преминават през хомогенни скали, но се отразяват или пречупват, когато срещнат грапави повърхности по пътя си.

„Ние знаем, че почти всички обекти имат неравни повърхности и следователно могат да разпръскват светлина“, каза Уенбо Ву, водещият автор на изследването, който наскоро получи докторска степен по геономия и в момента следва постдокторантска стипендия в Калифорнийския технологичен институт. „Благодарение на този факт можем да „виждаме“ тези обекти – разпръскващите се вълни носят информация за грапавостта на повърхностите, които срещат по пътя си. В това изследване ние разгледахме разсейващите сеизмични вълни, пътуващи дълбоко в Земята, за да определим „грапавостта“ на откритата 660-километрова граница.

Изследователите бяха изненадани от това колко "груба" е тази граница - дори повече от повърхностния слой, върху който живеем. „С други думи, този подземен слой има топография, по-сложна от Скалистите планини или планинската система на Апалачите“, каза Ву. Техният статистически модел не успя да определи точните височини на тези подземни планини, но има голям шанс те да са много по-високи от всичко на повърхността на Земята. Учените също забелязаха, че 660-километровата граница също е неравномерно разпределена. По същия начин, по който земният слой има гладки океански повърхности в някои части и масивни планини в други, 660-километровата граница също има грапави зони и гладки слоеве на повърхността си. Изследователите също са разгледали подземните слоеве на дълбочина от 410 километра и в горната част на средната мантия, но не са успели да намерят подобни грапавини в тези повърхности.

„Те откриха, че 660-километровата граница е толкова сложна, колкото повърхностния слой“, каза сеизмологът Кристина Хаузър, асистент в Токийския технологичен институт, която не е участвала в изследването. „Използването на сеизмичните вълни, създадени от мощни земетресения, за намиране на 3-километрова разлика във височината на терена на 660 километра дълбоко под земята е невъобразимо постижение... Техните открития означават, че в бъдеще, използвайки по-сложни сеизмични инструменти, ще бъдем в състояние да открие неизвестни досега, фини сигнали, които ще ни разкрият нови свойства на вътрешните слоеве на нашата планета.

Сеизмологът Джесика Ървинг, асистент професор по геофизика, държи два метеорита от колекцията на Принстънския университет, които съдържат желязо и се смята, че са част от планетата Земя.
Снимката е направена от Денис Апелуайт.

Какво означава това?

Съществуването на грапави повърхности по 660-километровата граница е важно за разбирането как се формира и функционира нашата планета. Този слой разделя мантията, която съставлява около 84 процента от обема на нашата планета, на горна и долна част. От години геолозите спорят колко важна е тази граница. По-специално те проучват как топлината се транспортира през мантията - и дали нагрятите скали се движат от границата на Гутенберг (слоят, разделящ мантията от ядрото на дълбочина 2900 километра) нагоре към върха на мантията или това движение се прекъсва на 660-километровата граница. Някои геохимични и минералогични доказателства предполагат, че горният и долният слой на мантията имат различен химичен състав, подкрепяйки идеята, че двата слоя са термично или физически несмесими. Други наблюдения показват, че горният и долният слой на мантията нямат химична разлика, което поражда дебат за така наречената „добре смесена мантия“, където и двата слоя на мантията участват в съседен цикъл на топлообмен.

„Нашето проучване предоставя нови прозрения в този дебат“, каза Уенбо Ву. Данните, получени от това проучване, предполагат, че и двете страни може да са отчасти прави. По-гладките слоеве на 660-километровата граница може да са се образували поради цялостно вертикално смесване, където по-грубите, планински зони може да са се образували, където смесването на горната и долната мантия не е протекло толкова гладко.

В допълнение, "грапавостта" на слоя на откритата граница беше открита в големи, средни и малки мащаби от изследователи, което на теория може да бъде причинено от топлинни аномалии или химическа хетерогенност. Но поради начина, по който топлината се транспортира в мантията, обяснява Ву, всяка малка топлинна аномалия ще бъде изгладена в рамките на няколко милиона години. Така само химическата хетерогенност може да обясни грапавостта на този слой.

Какво може да причини такава значителна химическа хетерогенност? Например появата на скали в слоевете на мантията, които принадлежат на земната кора и се преместват там в продължение на много милиони години. Учените отдавна обсъждат съдбата на плочите на морското дъно, които са избутани в мантията от зони на субдукция, които се сблъскват около Тихия океан и други части на земното кълбо. Weibo Wu и Jessica Irving предполагат, че останките от тези плочи сега може да са над или под границата от 660 километра.

„Много хора смятат, че е доста трудно да се изследва вътрешната структура на планетата и нейните промени през последните 4.5 милиарда години, като се използват само данни от сеизмични вълни. "Но това далеч не е вярно! - каза Ървинг. - Това изследване ни даде нова информация за съдбата на древни тектонични плочи, които са се спускали в мантията в продължение на много милиарди години."

Накрая Ървинг добави: „Мисля, че сеизмологията е най-интересна, когато ни помага да разберем вътрешната структура на нашата планета в пространството и времето.“

От автора на превода: Винаги съм искал да опитам ръката си в превода на научнопопулярна статия от английски на руски, но не го очаквах доколкото сложно е. Много уважение към тези, които редовно и ефективно превеждат статии на Хабре. За да преведете текст професионално, трябва не само да знаете английски, но и да разберете самата тема, като изучавате източници на трети страни. Добавете малко „гавка“, за да звучи по-естествено, но и не прекалявайте, за да не развалите статията. Благодаря много за четенето :)

Източник: www.habr.com