В глубинах земной мантии скрыты таинственные острова: в чем их уникальность
Глубоко в земной мантии спрятаны два огромных «острова» размером с Африку. Новое исследование, проведенное Утрехтским университетом, показывает, что в этих областях не только жарче, чем на окружающем «кладбище» затонувших тектонических плит. Острова гораздо древнее. Им по меньшей мере полмиллиарда лет, а возможно, и больше.
Эти наблюдения противоречат идее о хорошо перемешанной и быстротекущей мантии Земли, теории, которая подвергается все большему сомнению. В мантии Земли текучесть меньше, чем принято считать. Исследование было опубликовано 22 января 2025 года в журнале Nature.
Сильные землетрясения заставляют Землю звенеть и гудеть разными тонами, как уникальный музыкальный инструмент. Сейсмологи изучают земные недра, исследуя, насколько эти тона «не в ладу» друг с другом. Фальшивое, слишком громкое или слишком глухое звучание земных недр означает, что там возникли аномалии.
На основании прослушивания недр ученые могут визуализировать недра нашей планеты точно так же, как врач может «видеть» наше тело насквозь с помощью рентгеновских лучей или УЗИ.
В конце прошлого века анализ земных колебаний показал существование двух подземных «суперконтинентов»: одного под Африкой, а другого под Тихим океаном. Оба скрыты более чем на две тысячи километров под поверхностью Земли.
«Никто не знает, что это такое, являются ли они лишь временным явлением, или же они существуют сотни миллионов или, возможно, даже миллиарда лет», — говорит Арвен Дейсс, профессор сейсмологии, изучающая структуры и состав недр Земли в Утрехтском университете в Нидерландах.
«Эти два подземных острова окружены «кладбищем» тектонических плит, которые были перенесены туда в результате процесса, называемого субдукцией, когда одна тектоническая плита ложится под другую плиту и опускается от поверхности Земли на глубину почти в три тысячи километров».
«Мы уже много лет знаем, что эти острова расположены на границе между мантией и ядром Земли. И мы видим, что сейсмические волны там замедляются. У сейсмологов и геологов такие зоны называются крупными областями с низкой скоростью сдвига (англ. large low-shear-velocity provinces или сокращенно LLSVP)».
Под «скоростью сдвига» подразумевается динамика так называемых сдвиговых волн (S-волн), а не скорость перемещения тектонических плит — прим. ред.
Арвен Дейсс и ее коллега Суджания Талавера-Соза очень хотят больше узнать об этих необычных областях.
«Мы добавили новую информацию о затухании сейсмических волн, рассчитав примерное количество энергии, теряемой волнами при прохождении через Землю. Чтобы сделать это, мы не только исследовали, насколько сильно «фальшивили» волны, но и измерили громкость их звучания».
Талавера-Соза добавляет: «Вопреки ожиданиям, мы обнаружили незначительное затухание в LLSVP, волны после их прохождения звучали достаточно громко. Но мы обнаружили значительное затухание на «кладбище» холодных плит, где звучание было гораздо тише».
Это показалось исследователям странным — затухание сейсмических волн характерно для более горячих областей мантии. «Когда на улице жаркая погода и вы выходите на пробежку, вы не только замедляетесь, но и устаете больше, чем когда на улице холодно», — сравнивает Талавера-Соза.
Их коллега Лора Кобден, специализирующаяся на глубинной минералогии, предложила изучить размер зерен LLSVP. По словам их американского коллеги Ульриха Фаула, температура сама по себе не может объяснить отсутствие высокого демпфирования в LLSVP.
Арвен Дейсс: «Размер зерен гораздо важнее. Опускающиеся тектонические плиты, которые в конечном итоге оказываются на кладбище плит, состоят из мелких зерен, потому что они перекристаллизовываются на своем пути вглубь Земли».
«Малый размер зерен означает большее количество зерен на единицу объема и, следовательно, большее количество границ между зернами. Из-за большого количества границ на кладбище плит мы наблюдаем более сильное затухание волн, поскольку они теряют энергию на каждой пересекаемой границе. Тот факт, что LLSVP обладают очень слабым демпфированием, означает, что они должны состоять из гораздо более крупных зерен».
Минеральные зерна не растут за одну ночь: LLSVP намного старше, чем окружающие затонувшие каменные плиты. Более того, LLSVP, с их гораздо более крупными «строительными блоками», очень прочны. Следовательно, они не участвуют в мантийной конвекции (течении в мантии Земли).
«Вопреки тому, что мы читаем в учебниках по геологии, земная мантия по определению не может быть хорошо перемешана. Смогли же LLSVP пережить мантийную конвекцию», — с легкой иронией резюмирует Талавера-Соза.
Знание процессов в мантии Земли необходимо для понимания эволюции нашей планеты. «А также для понимания явлений на поверхности Земли, таких как вулканизм и горообразование», — добавляет Дейсс.
«Мантия Земли является движущей силой сейсмических и геологических явлений. Возьмем, к примеру, мантийные шлейфы, которые представляют собой большие пузыри горячего вещества, поднимающиеся из глубин Земли. Как только они достигают поверхности, в местах выхода начинается вулканическая активность. Мы думаем, что мантийные шлейфы возникают на краях LLSVP».
О пользе землетрясений
В такого рода исследованиях сейсмологам помогают колебания, вызванные сильными землетрясениями, предпочтительно землетрясениями с очагом на большой глубине.
«Землетрясение в Боливии в 1994 году не попало в газеты, поскольку произошло на глубине 650 км и, к счастью, не привело к каким-либо разрушениям или жертвам на поверхности Земли. Но ученым оно дало массу полезных сведений, в том числе об LLSVP», — поясняет Анвер Дейсс.
«Затухание сигнала происходит достаточно медленно и приносит массу информации для анализа и интерпретации. Исследователям нет необходимости ждать, пока произойдет еще одно землетрясение. Материалы о предыдущих землетрясениях дают простор для работы. При желании мы можем возвращаться к архивным данным, начиная с 1975 года. Именно тогда появились достаточно точные сейсмометры. Полученная с их помощью информация актуальна до сих пор».
Недавно ученые объяснили, как миграция тектонической плиты создала котловину современных Великих озер.
