Всі школярі знають, що планета Земля розділена на три (або чотири) великі шари: кора, мантія та ядро. В цілому це вірно, хоча це узагальнення не враховує кілька додаткових шарів, визначених вченими, один з яких, наприклад, перехідний шар усередині мантії.
У дослідженні, опублікованому 15 лютого 2019 року, геофізик Джесіка Ірвінг та студент-магістрант Венбо Ву з Прінстонського університету, у співпраці з Сідао Ні з Геодезичного та Геофізичного Інституту в Китаї, використали дані, отримані під час потужного землетрусу 1994 року та інших топографічних елементів на поверхні перехідної зони глибоко всередині мантії. Цей шар, що знаходиться на глибині 660 кілометрів під землею, розділяє верхню та нижню частину мантії (не маючи формальної назви для цього шару, дослідники назвали його просто «660-кілометровий кордон»).
Для того, щоб «подивитися» так глибоко під землю, вчені використовували найпотужніші хвилі на планеті, викликані найсильнішими землетрусами. "Вам потрібен сильний і глибокий землетрус, щоб струсити планету", - сказала Джессіка Ірвінг, доцент геофізичних наук.
Великі землетруси набагато потужніші за звичайні - енергія яких збільшується 30-разово при кожному додатковому кроці вгору за шкалою Ріхтера. Ірвінг отримує свої найкращі дані із землетрусів з магнітудами 7.0 і вище, тому що сейсмічні хвилі, що посилаються настільки потужними землетрусами, розходяться в різні боки і можуть пройти через ядро на інший бік планети і назад. Для цього дослідження ключові дані були отримані з сейсмічних хвиль, які були зареєстровані із землетрусу з магнітудою 8.3 – другий найглибший землетрус, коли-небудь зареєстрований геологами, – який вразив Болівію у 1994 році.
«Землетруси такого масштабу трапляються не часто. Нам дуже пощастило, що зараз встановлено набагато більше сейсмометрів у всьому світі, ніж 20 років тому. Сейсмологія також сильно змінилася за останні 20 років завдяки новим інструментам та комп'ютерним потужностям.
Сейсмологи та фахівці з аналізу даних використовують суперкомп'ютери, такі як Принстонський кластерний суперкомп'ютер Тигр, для симуляції складних поведінок сейсмічних хвиль, що розсіюють, глибоко під землею.
Технології засновані на фундаментальних властивостях хвиль: їхня здатність відбиватися і заломлюватись. Так само як і світлові хвилі можуть відскакувати (відбиватися) від дзеркала або згинатися (заломлюватись), коли проходять крізь призму, сейсмічні хвилі проходять крізь однорідні породи, але відбиваються або заломлюються, коли зустрічають грубі поверхні на шляху.
"Ми знаємо, що майже всі об'єкти мають нерівну поверхню і тому можуть розсіювати світло", - сказав Венбо Ву, головний автор цього дослідження, який нещодавно отримав ступінь доктора в геономії і зараз проходить постдокторантуру в Каліфорнійському технологічному інституті. «Завдяки цьому факту ми можемо «бачити» ці об'єкти – хвилі, що розсіюють, несуть інформацію про грубість поверхонь, які зустрічаються їм на шляху. У цьому дослідженні ми вивчали сейсмічні хвилі, що розсіюють, глибоко всередині Землі, щоб визначити «грубість» знайденого 660-кілометрового кордону».
Дослідники були здивовані, наскільки «груба» ця межа – навіть більш ніж поверхневий шар, на якому ми живемо. "Іншими словами, цей підземний шар має топографію складніше, ніж Скелясті Гори або гірська система Аппалачі", - уточнив Ву. Їхня статистична модель не змогла визначити точні висоти цих підземних гір, але існує велика ймовірність того, що вони набагато вищі, ніж будь-що на поверхні Землі. Також вчені зауважили, що 660-кілометровий кордон теж нерівномірно розподілено. Так само, як і наземний шар має гладку поверхню океану в одних частинах і масивні гори в інших, 660-кілометрова межа також має грубі зони та гладкі пласти на своїй поверхні. Дослідники також вивчили підземні шари на глибині 410 кілометрів та на вершині середнього шару мантії, проте не змогли знайти подібну брутальність цих поверхонь.
"Вони виявили, що 660-кілометровий кордон також складний, як і поверхневий земний шар", - сказала сейсмолог Крістіна Хаузер, доцент Токійського Технологічного Інституту, яка не брала участі в цьому дослідженні. «Використовувати сейсмічні хвилі створені потужними землетрусами, щоб знайти 3 кілометрову різницю у висоті рельєфу 660 кілометрів, що знаходиться глибоко під землею, — це неймовірний подвиг. , які розкриють нам нові властивості внутрішніх верств нашої планети».
Сейсмолог Джесіка Ірвінг, доцент геофізики, тримає два метеорити з колекції Прінстонського Університету, що містять залізо і імовірно є частиною планетоземалів.
Фото зроблено Денис Аппелуайтом.
Що це означає?
Існування грубих поверхонь на 660-кілометровій межі має важливе значення для розуміння як формується та функціонує наша планета. Цей шар поділяє мантію, що становить близько 84 відсотків обсягу нашої планети, на верхні та нижні секції. Роками геологи сперечалися про те, наскільки важливий цей кордон. Зокрема, вони вивчали, як тепло транспортується крізь мантію – і чи переміщуються нагріті породи з кордону Гутенберга (шар, що розділяє мантію від ядра на глибині 2900 кілометрів) вгору до вершини мантії, чи це переміщення переривається на 660-кілометровому кордоні. Деякі геохімічні та мінералогічні дані припускають, що верхні та нижні шари мантії мають різні хімічні склади, що підтримує ідею про те, що обидва шари не змішуються термально чи фізично. Інші спостереження припускають, що верхні та нижні шари мантії не мають жодної хімічної різниці, що породжує суперечку про так звану «повністю перемішану мантію» («well-mixed mantle»), де обидва шари мантії беруть участь у суміжному циклі теплообміну.
"Наше дослідження надає новий погляд на цю суперечку", - сказав Венбо Ву. Дані, отримані з цього дослідження, припускають, що обидві сторони можуть бути частково правими. Більш гладкі пласти 660-кілометрової межі можуть утворюватися через ретельне, вертикальне змішування, де грубіші, гірські зони могли бути утворені в місці, де перемішування верхніх і нижніх шарів мантії не проходило також плавно.
Крім того, «грубість» шару на знайденому кордоні була виявлена у великих, середніх і малих масштабах вченими-дослідниками, що в теорії могло бути викликано тепловими аномаліями або хімічною гетерогенністю. Але через те, як тепло переноситься у мантії, пояснює Ву, будь-яка теплова аномалія малого масштабу була б згладжена протягом кількох мільйонів років. Таким чином, лише хімічна гетерогенність може пояснити грубість цього шару.
Що могло б спричинити настільки значну хімічну гетерогенність? Наприклад, поява кам'яних порід у шарах мантії, які належали земній корі і перемістилися туди протягом багатьох мільйонів років. Вчені довго сперечалися про долю плит на морському дні, які проштовхуються всередину мантії в зонах субдукції, колізії яких відбуваються навколо Тихого Океану та інших частинах земної кулі. Вейбо Ву та Джесіка Ірвінг припускають, що залишки цих плит можуть зараз бути зверху або знизу 660-кілометрового кордону.
«Багато хто вважає, що це досить складно вивчати внутрішню структуру планети та її зміни за останні 4.5 мільярдів років, лише використовуючи дані сейсмічних хвиль. Але це далеко не так!, - сказала Ірвінг - це дослідження дало нам нову інформацію про долю стародавніх тектонічних плит, які спускалися всередину мантії протягом багатьох мільярдів років».
Наприкінці Ірвінг додала: «Я вважаю, що сейсмологія найцікавіша, коли вона допомагає нам зрозуміти внутрішню будову нашої планети у просторі та часі».
Від автора перекладу: завжди хотів спробувати себе в перекладі науковопопулярної статті з англійської на російську, але не очікував наскільки це складно. Велика повага до тих, хто регулярно та якісно перекладає статті на Хабрі. Щоб професійно перекласти текст, треба не тільки знати англійську, але й зрозуміти саму тему, вивчаючи сторонні джерела. Додавати трохи «відсеб'ятини» щоб звучало більш натурально, але й не переборщувати, щоб не зіпсувати статтю. Дуже дякую за читання 🙂
Джерело: habr.com