ボリビアの強力な地震が地下660キロメートルの山々をいかにして開いたか

すべての学童は、地球が地殻、マントル、核という XNUMX つ (または XNUMX つ) の大きな層に分かれていることを知っています。 これは一般的に真実ですが、この一般化は科学者によって特定されたいくつかの追加の層を考慮していません。たとえば、そのうちの XNUMX つはマントル内の遷移層です。

15年2019月1994日に発表された研究では、プリンストン大学の地球物理学者ジェシカ・アービング氏と修士課程のウェンボ・ウー氏は、中国測地地球物理研究所のシダオ・ニー氏と協力して、660年にボリビアで発生した強力な地震から得られたデータを使用して山脈を発見した。マントル深部の遷移帯の表面にあるその他の地形的特徴。 この層は地下 660 キロメートルに位置し、上部マントルと下部マントルを分けています（この層に正式な名前はなく、研究者らは単に「XNUMX キロメートルの境界」と呼んでいました）。

地下深くを「見る」ために、科学者たちは強い地震によって引き起こされる地球上で最も強力な波を利用しました。 「地球を揺るがすには、強力で深い地震が必要です」と地球科学のジェシカ・アービング助教授は言う。

大地震は通常の地震よりもはるかに強力で、そのエネルギーはリヒタースケールがさらに上がるごとに 30 倍になります。 アービング氏は、マグニチュード 7.0 以上の地震から最良のデータを取得します。なぜなら、このような大きな地震によって発信される地震波はさまざまな方向に広がり、核を通って地球の反対側に伝わり、戻ってくる可能性があるからです。 この研究では、8.3 年にボリビアを揺るがしたマグニチュード 1994 の地震（地質学者が記録した中で XNUMX 番目に深い地震）で記録された地震波から重要なデータが得られました。

「これほど大きな地震は滅多に起こりません。 私たちは非常に幸運なことに、現在、20 年前よりもはるかに多くの地震計が世界中に設置されています。 地震学も、新しい機器とコンピューターの能力のおかげで、過去 20 年間に大きく変化しました。

地震学者やデータ サイエンティストは、プリンストン大学のタイガー クラスター スーパーコンピューターなどのスーパーコンピューターを使用して、地下深くに散乱する地震波の複雑な挙動をシミュレートします。

テクノロジーは波の基本的な特性、つまり反射および屈折する能力に基づいています。 光波が鏡で跳ね返ったり（反射）、プリズムを通過するときに曲がったり（屈折）するのと同じように、地震波は均質な岩石の中を伝わりますが、その途中で粗い表面に遭遇すると反射または屈折します。

「ほとんどすべての物体の表面は凹凸があり、そのため光を散乱させる可能性があることが分かっています」と、この研究の筆頭著者であるウェンボー・ウー氏は語った。彼は最近地理学の博士号を取得し、現在はカリフォルニア工科大学で博士研究員の資格を取得している。 「この事実のおかげで、私たちはこれらの物体を「見る」ことができます。散乱波は、その経路上で遭遇する表面の粗さに関する情報を運びます。 この研究では、発見された660キロメートルの境界の「粗さ」を決定するために、地球の内部深くに伝わる散乱地震波を調べました。」

研究者らは、この境界がどれほど「粗い」のか、私たちが住んでいる表層よりもさらに粗いことに驚いた。 「言い換えれば、この地下層はロッキー山脈やアパラチア山脈よりも複雑な地形をしているということです」とウー氏は言う。 彼らの統計モデルでは、これらの地下の山々の正確な高さを決定することはできませんでしたが、地球の表面にある山々よりもはるかに高い可能性は十分にあります。 科学者たちはまた、660キロメートルの国境も不均一に分布していることに気づいた。 陸地層の一部では滑らかな海面があり、他の部分では巨大な山々が存在するのと同じように、660 km 境界にもその表面には荒れたゾーンと滑らかな地層があります。 研究者らはまた、深さ410キロメートルの地下層と中央マントルの上部も調べたが、これらの表面に同様の粗さを見つけることはできなかった。

「彼らは、660キロメートルの境界が表層と同じくらい複雑であることを発見した」と、この研究には関与していない東京工業大学の地震学者クリスティーナ・ハウザー助教授は述べた。 「強力な地震によって発生する地震波を使用して、地下 3 キロメートルの深さの地形の 660 キロメートルの高低差を見つけることは、想像を絶する偉業です...彼らの発見は、将来、より洗練された地震計を使用して、これまで知られていなかった微妙な信号を検出することで、地球の内層の新たな特性が明らかになるでしょう。」

地震学者で地球物理学の助教授であるジェシカ・アーヴィングは、鉄を含み地球の一部であると考えられているXNUMXつの隕石をプリンストン大学コレクションから所蔵している。
デニス・アペルホワイト撮影。

これは何を意味するのでしょうか？

660 キロメートルの境界に沿った粗い表面の存在は、地球がどのように形成され機能するかを理解する上で重要です。 この層は、地球の体積の約 84 パーセントを占めるマントルを上部と下部に分けています。 地質学者たちは長年にわたり、この境界がいかに重要であるかを議論してきました。 特に、彼らは熱がマントルを通ってどのように輸送されるのか、そして加熱された岩石がグーテンベルク境界（深さ2900キロメートルでマントルと核を隔てる層）からマントルの頂上まで移動するかどうか、あるいはこの移動が起こるかどうかを研究した。 660キロ地点で中断される。 いくつかの地球化学的および鉱物学的証拠は、マントルの上層と下層が異なる化学組成を持っていることを示唆しており、この XNUMX つの層は熱的または物理的に混ざらないという考えを裏付けています。 他の観察では、マントルの上層と下層には化学的差異がないことが示唆されており、マントルの両層が隣接する熱交換サイクルに参加する、いわゆる「よく混合されたマントル」についての議論が生じている。

「私たちの研究は、この議論について新たな洞察を提供します」とウェンボ・ウー氏は語った。 この研究から得られたデータは、双方の主張が部分的に正しい可能性を示唆しています。 660 km 境界のより滑らかな地層は、徹底的な垂直混合によって形成された可能性があり、上部マントルと下部マントルの混合がスムーズに進まなかった場所では、より粗い山岳地帯が形成された可能性があります。

さらに、発見された境界における層の「粗さ」が研究科学者によって大、中、小スケールで検出され、理論的には熱異常または化学的不均一性が原因である可能性があります。 しかし、マントル内での熱の輸送方法により、小規模な熱異常は数百万年以内に解消されるだろうとウー氏は説明する。 したがって、化学的不均一性のみがこの層の粗さを説明できます。

このような重大な化学的不均一性の原因は何でしょうか? たとえば、地球の地殻に属し、何百万年もかけてそこに移動したマントルの層の岩石の出現。 科学者たちは、太平洋や地球の他の地域で衝突する沈み込み帯によってマントルに押し込まれる海底のプレートの運命について長年議論してきました。 Weibo Wu と Jessica Irving は、これらのプレートの残骸が現在 660 キロメートルの境界の上か下にある可能性があると示唆しています。

「多くの人は、地震波データだけを使って地球の内部構造と過去 4.5 億年間のその変化を研究するのは非常に難しいと信じています。 「しかし、これは決して真実ではありません。この研究は、何十億年もかけてマントルに降り注いだ古代のプレートの運命についての新しい情報を私たちに与えてくれました。」とアービング氏は語った。

最後にアーヴィング氏は、「地震学が最も興味深いのは、地球の空間と時間の内部構造を理解するのに役立つときだと思います。」と付け加えた。

翻訳著者より: 人気のある科学論文を英語からロシア語に翻訳してみたいと常々思っていましたが、それが実現するとは予想していませんでした。 限り それは複雑です。 ハブレに関する記事を定期的かつ効率的に翻訳してくださっている方々に敬意を表します。 文章を専門的に翻訳するには、英語の知識だけでなく、サードパーティの情報源を調べてトピック自体を理解する必要もあります。 より自然に聞こえるように少し「ギャグ」を追加しますが、記事のネタバレにならないよう、やりすぎないようにしてください。 読んでいただきありがとうございます:)

出所： habr.com