Хабрахабр

[Перевод] 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.

image

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»). 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.

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

Ирвинг получает свои лучшие данные с землетрясений с магнитудами 7. Большие землетрясения намного мощнее обычных – энергия которых увеличивается 30–кратно при каждом дополнительном шаге вверх по шкале Рихтера. Для этого исследования ключевые данные были получены с сейсмических волн, которые были зарегистрированы с землетрясения с магнитудой 8. 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. 3 – второе самое глубокое землетрясение, когда-либо зарегистрированное геологами, – которое потрясло Боливию в 1994 году.

Нам очень повезло, что сейчас установлено намного больше сейсмометров по всему миру, чем 20 лет назад. «Землетрясения такого масштаба случаются не часто. 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.

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 неровные поверхности на пути. Технологии основаны на фундаментальных свойствах волн: их способность отражаться и преломляться.

«Благодаря этому факту мы можем «видеть» эти объекты – рассеивающие волны несут информацию о неровности поверхностей, которые встречаются им 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. В этом исследовании мы изучали рассеивающие сейсмические волны, распространяющиеся глубоко внутри Земли, чтобы определить неровности найденной 660–километровой границы».

«Другими словами, этот подземный слой имеет топографию сложнее, чем Скалистые Горы или горная система Аппалачи», – уточнил Ву. Исследователи были удивлены, насколько неровна эта граница – даже более, чем поверхностный слой, на котором мы живем. Также ученые заметили, что 660-километровая граница тоже неравномерно распределена. 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. Исследователи также изучили подземные слои на глубине 410 километров и на вершине среднего слоя мантии, однако не смогли найти похожую неровность этих поверхностей. Таким же образом, как и наземный слой имеет гладкую поверхность океана в одних частях и массивные горы в других, 660–километровая граница также имеет неровные зоны и гладкие пласты на своей поверхности.

«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». «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.


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?

Этот слой разделяет мантию, составляющую около 84 процентов объема нашей планеты, на верхние и нижние секции. Существование неровных поверхностей на 660–километровой границе имеет важное значение для понимания как формируется и функционирует наша планета. 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. Годами геологи спорили о том, насколько важна эта граница. 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. 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.

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

Но из-за того, как тепло переносится в мантии, объясняет Ву, любая тепловая аномалия малого масштаба была бы сглажена в течение нескольких миллионов лет. Вдобавок, неровность 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. Таким образом, только химическая гетерогенность может объяснить неровность этого слоя.

Например, появление каменных пород в слоях мантии, которые принадлежали земной коре и перемещались туда в течении многих миллионов лет. Что могло бы послужить причиной настолько значительной химической гетерогенности? Вейбо Ву и Джессика Ирвинг предполагают, что остатки этих плит могут сейчас быть сверху или снизу 660–километровой границы. 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.

5 миллиардов лет, только используя данные сейсмических волн. «Многие считают, что это довольно сложно изучать внутреннюю структуру планеты и ее изменения за последние 4. 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».

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

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть