Древние тектонические плиты начали проходить вдоль ядра Земли – в чем угроза

В условиях, когда литосферные плиты подвергаются катастрофическим тектоническим напряжениям, вызванным сейсмическими событиями, в земной коре генерируются сейсмические волны, которые распространяются через различные геофизические среды планеты. Сейсмологические исследования фокусируются на анализе изменения скорости и направления распространения этих волн в различных литологических и минералогических структурах, а также на их отражении от глубинных границ. Данный подход позволяет создавать высокоразрешающие карты глубинных слоев Земли, аналогичные изображениям, получаемым с помощью рентгеновской томографии.

На основе анализа данных о более чем 5000 землетрясений, ученые разработали одну из наиболее детализированных карт глубинных структур Земли, охватывающую область на глубине 2900 километров, где нижняя мантия переходит в ядро. Эта карта демонстрирует процессы субдукции тектонических плит, которые миллионы лет назад погружались в мантию и накапливались на границе с ядром, формируя сложные конвекционные потоки. Эти потоки играют ключевую роль в динамике глубинных геодинамических процессов.

Джонатан Вольф, профессор сейсмологии Калифорнийского университета в Беркли, представил свои исследования на ежегодной встрече Американского геофизического союза, подчеркивая значимость полученных данных для понимания глобальной мантийной системы.

Граница между ядром и мантией Земли представляет собой не гладкую поверхность, как это часто изображается в учебной литературе. Сейсмические исследования выявили наличие гигантских структур, превышающих высоту Эвереста в сто раз, представляющих собой аномально горячие области с низкой скоростью сдвига. Эти области, известные как крупные низкоскоростные аномалии, окружены меньшими низкоскоростными зонами, которые могут служить "кладбищами" субдуцированных тектонических плит, накопившихся вдоль границы ядра и мантии.

Сейсмологические данные также выявили анизотропию минералов в нижней мантии, что означает зависимость скорости распространения сейсмических волн от их траектории относительно кристаллической структуры пород. Это явление указывает на крупномасштабные конвективные потоки, которые деформируют минералы и вызывают их ориентирование. Анизотропия минералов позволяет картографировать медленные конвективные процессы в мантии, определяющие движение тектонических плит.

Измерение сейсмической анизотропии и составление карт конвективных потоков представляют собой сложную задачу. Сейсмические волны, пригодные для этих целей, встречаются редко, и их распространение через Землю под углом, огибающим ядро, затрудняется шумами, генерируемыми верхней мантией. Ситуацию осложняет интеграция данных из множества сейсмологических станций по всему миру, что требует значительных усилий для их обработки и интерпретации. Геодинамические модели внутреннего строения Земли часто не могут быть верифицированы без дополнительных сейсмологических данных.

Для создания более детализированной картины Вольф и его коллеги проанализировали сейсмологические данные о примерно 5300 землетрясениях, произошедших с 1995 года, с достаточной силой для генерации сейсмических волн, распространяющихся по всей планете. Исследователи использовали методы анализа тонких вариаций скорости волн, что позволило создать изображение, в 100 раз более детализированное по сравнению с предыдущими исследованиями. Вольф и его команда зафиксировали анизотропию минералов по всей трехчетвертной части нижней мантии, что является наиболее полным на сегодняшний день исследованием данного региона. Пол Такли, геофизик из Цюрихского технологического института, не участвовавший в исследовании, отметил важность проведения глобального сейсмологического исследования.

Новая карта демонстрирует сложную сеть конвективных потоков в нижней мантии, многие из которых связаны с древними субдуцированными тектоническими плитами, которые, столкнувшись с ядром, проникают вдоль его границы. Вольф предполагает, что значительная часть наблюдаемой анизотропии обусловлена этими зонами остаточных плит.

На крупных масштабах доминируют затопленные тектонические плиты. Однако карта также выявляет более локальные аномалии. Например, исследователи обнаружили аномально горячую зону под Азией, известную как Пермская аномалия, окруженную поднимающимися породами. Эта зона может служить источником горячего плюма, подобного тому, который питал Сибирские траппы — серию масштабных извержений, вызвавших пермское массовое вымирание 252 миллиона лет назад. Вольф предполагает, что дальнейшее улучшение карты может способствовать установлению связей между глубинными геодинамическими процессами и поверхностными явлениями, такими как вулканизм в горячих точках Йеллоустоуна и Гавайев.