Как мощные землетрясения Боливии открыли горы на глубине 660 километров под землей

Все школьники знают, что планета Земля разделена на три (или четыре) больших слоя: кора, мантия и ядро. В целом это верно, хотя это обобщение не берет в расчет несколько дополнительных слоев, определенных учеными, один из которых, например, переходный слой внутри мантии.

В исследовании, опубликованном 15 февраля 2019 года, геофизик Джессика Ирвинг и студент-магистрант Венбо Ву из Принстонского университета, в сотрудничестве с Сидао Ни из Геодезического и Геофизического Института в Китае, использовали данные, полученные во время мощного землетрясения 1994 года в Боливии для нахождения гор и других топографических элементов на поверхности переходной зоны глубоко внутри мантии. Этот слой, находящийся на глубине 660 километров под землей, разделяет верхнюю и нижнюю часть мантии (не имея формального названия для этого слоя, исследователи назвали его просто «660–километровая граница»).

Для того чтобы «посмотреть» так глубоко под землю, ученые использовали самые мощные волны на планете, вызванные сильнейшими землетрясениями. «Вам нужно сильное и глубокое землетрясение, чтобы встряхнуть планету» – сказала Джессика Ирвинг, доцент геофизических наук.

Большие землетрясения намного мощнее обычных – энергия которых увеличивается 30–кратно при каждом дополнительном шаге вверх по шкале Рихтера. Ирвинг получает свои лучшие данные с землетрясений с магнитудами 7.0 и выше, потому что сейсмические волны, посылаемые настолько мощными землетрясениями, расходятся в разные стороны и могут пройти через ядро на другую сторону планеты и обратно. Для этого исследования ключевые данные были получены с сейсмических волн, которые были зарегистрированы с землетрясения с магнитудой 8.3 – второе самое глубокое землетрясение, когда-либо зарегистрированное геологами, – которое потрясло Боливию в 1994 году.

«Землетрясения такого масштаба случаются не часто. Нам очень повезло, что сейчас установлено намного больше сейсмометров по всему миру, чем 20 лет назад. Сейсмология также сильно изменилась за последние 20 лет благодаря новым инструментам и компьютерным мощностям.

Сейсмологи и специалисты по анализу данных используют суперкомпьютеры, такие как Принстонский кластерный суперкомпьютер Тигр, для симуляции сложных поведений рассеивающих сейсмических волн глубоко под землей.

Технологии основаны на фундаментальных свойствах волн: их способность отражаться и преломляться. Точно также как и световые волны могут отскакивать (отражаться) от зеркала или изгибаться (преломляться), когда проходят сквозь призму, сейсмические волны проходят сквозь однородные породы, но отражаются или преломляются, когда встречают грубые поверхности на пути.

«Мы знаем, что почти все объекты имеют неровную поверхность и поэтому могут рассеивать свет», – сказал Венбо Ву, главный автор этого исследования, который недавно получил степень доктора в геономии и сейчас проходит постдокторантуру в Калифорнийском Технологическом Институте. «Благодаря этому факту мы можем «видеть» эти объекты – рассеивающие волны несут информацию о грубости поверхностей, которые встречаются им на пути. В этом исследовании мы изучали рассеивающие сейсмические волны, распространяющиеся глубоко внутри Земли, чтобы определить «грубость» найденной 660–километровой границы».

Исследователи были удивлены, насколько «груба» эта граница – даже более, чем поверхностный слой, на котором мы живем. «Другими словами, этот подземный слой имеет топографию сложнее, чем Скалистые Горы или горная система Аппалачи», – уточнил Ву. Их статистическая модель не смогла определить точные высоты этих подземных гор, но существует большая вероятность того, что они намного выше, чем что-либо на поверхности Земли. Также ученые заметили, что 660-километровая граница тоже неравномерно распределена. Таким же образом, как и наземный слой имеет гладкую поверхность океана в одних частях и массивные горы в других, 660–километровая граница также имеет грубые зоны и гладкие пласты на своей поверхности. Исследователи также изучили подземные слои на глубине 410 километров и на вершине среднего слоя мантии, однако не смогли найти похожую грубость этих поверхностей.

«Они обнаружили, что 660–километровая граница также сложна, как и поверхностный земной слой», – сказала сейсмолог Кристина Хаузер, доцент Токийского Технологического Института, которая не участвовала в этом исследовании. «Использовать сейсмические волны созданные мощными землетрясениями, чтобы найти 3 километровую разницу в высоте рельефа находящегося 660 километров глубоко под землей — это невообразимый подвиг.… Их открытия означают, что в будущем, используя более сложные сейсмические инструменты, мы сможем обнаруживать ранее неизведанные, малозаметные сигналы, которые раскроют нам новые свойства внутренних слоев нашей планеты».

Сейсмолог Джессика Ирвинг, доцент геофизики, держит два метеорита из коллекции Принстонского Университета, содержащие железо и предположительно являющиеся частью планетоземалей.
Фото сделано Денис Аппелуайтом.

Что это означает?

Существование грубых поверхностей на 660–километровой границе имеет важное значение для понимания как формируется и функционирует наша планета. Этот слой разделяет мантию, составляющую около 84 процентов объема нашей планеты, на верхние и нижние секции. Годами геологи спорили о том, насколько важна эта граница. В частности, они изучали, как тепло транспортируется сквозь мантию – и перемещаются ли нагретые породы с границы Гутенберга (слой, разделяющий мантию от ядра на глубине 2900 километров) вверх до вершины мантии или это перемещение прерывается на 660–километровой границе. Некоторые геохимические и минералогические данные предполагают, что верхние и нижние слои мантии имеют разные химические составы, что поддерживает идею о том, что оба слоя не смешиваются термально или физически. Другие наблюдения предполагают, что верхние и нижние слои мантии не имеют никакой химической разницы, что порождает спор о так называемой «полностью–перемешанной мантии» («well-mixed mantle»), где оба слоя мантии участвуют в смежном цикле теплообмена.

«Наше исследование предоставляет новый взгляд на этот спор», – сказал Венбо Ву. Данные, полученные из этого исследования, предполагают, что обе стороны могут быть частично правы. Более гладкие пласты 660–километровой границы могут образовываться из–за тщательного, вертикального смешивания, где более грубые, горные зоны могли быть образованы в месте, где перемешивание верхних и нижних слоев мантии не проходило также плавно.

Вдобавок, «грубость» слоя на найденной границе была обнаружена в больших, средних и малых масштабах учеными-исследователями, что в теории могло быть вызвано тепловыми аномалиями или химической гетерогенностью. Но из-за того, как тепло переносится в мантии, объясняет Ву, любая тепловая аномалия малого масштаба была бы сглажена в течение нескольких миллионов лет. Таким образом, только химическая гетерогенность может объяснить грубость этого слоя.

Что могло бы послужить причиной настолько значительной химической гетерогенности? Например, появление каменных пород в слоях мантии, которые принадлежали земной коре и переместились туда в течении многих миллионов лет. Ученые долго спорили о судьбе плит на морском дне, которые проталкиваются внутрь мантии в зонах субдукции, коллизии которых происходят вокруг Тихого Океана и в других частях земного шара. Вейбо Ву и Джессика Ирвинг предполагают, что остатки этих плит могут сейчас быть сверху или снизу 660–километровой границы.

«Многие считают, что это довольно сложно изучать внутреннюю структуру планеты и ее изменения за последние 4.5 миллиардов лет, только используя данные сейсмических волн. Но это далеко не так!, – сказала Ирвинг – это исследование дало нам новую информацию о судьбе древних тектонических плит, которые спускались внутрь мантии в течении многих миллиардов лет».

В конце Ирвинг добавила: «Я считаю что, сейсмология наиболее интересна, когда она помогает нам понять внутреннее строение нашей планеты в пространстве и времени».

От автора перевода: всегда хотел попробовать себя в переводе научнопопулярной статьи с ангийского на русский, но не ожидал насколько это сложно. Большое уважение тем, кто регулярно и качественно переводит статьи на Хабре. Что бы профессионально перевести текст, надо не только знать английский, но также понять саму тему изучая сторонние источники. Добавлять немного «отсебятины» что бы звучало более натурально, но и не перебарщавать, что бы не испортить статью. Большое спасибо за чтение 🙂

Источник: habr.com