Многие люди представляют структуру Земли как аккуратную, многослойную систему: тонкая кора на поверхности, толстая мантия внизу и ядро ​​в центре. Но под нашими ногами лежит мир гораздо более сложный и динамичный, чем предполагает это упрощенное представление. Недавние исследования с использованием новейшей технологии полноволновой инверсии (FWI) показали, что мантия Земли — массивный слой, простирающийся почти на 2900 километров в глубину — представляет собой хаотичную и разнообразную смесь структур, бросающую вызов давним предположениям о ее составе и поведение.

Мантия Земли, массивный слой горных пород под земной корой, является «двигателем» тектоники плит. Простираясь почти на 2900 километров в глубину, он формирует большую часть геологии и эволюции планеты. Но проблема в том, что мы не можем увидеть мантию или докопаться до нее. Вместо этого большая часть того, что мы знаем о мантии (и более глубоких областях), получена из сейсмологии.

Сейсмология изучает недра Земли, анализируя, как сейсмические волны, генерируемые землетрясениями или искусственными источниками, проходят через ее слои. Когда эти волны сталкиваются с изменениями свойств материала, например, с различиями в температуре, плотности или составе, они меняют скорость, направление или тип. Измеряя эти изменения на сейсмических станциях на поверхности, ученые могут составить карту аномалий в мантии, например, более высокие скорости волн, указывающие на более холодные и плотные материалы, или более низкие скорости, указывающие на более горячие или менее плотные области.

Сейсмическая томография, важный метод, использует эти измерения для создания 3D-моделей мантии. Это раскрывает его скрытые структуры и помогает нам понять его динамические процессы. Но сейсмическая томография имеет свои ограничения. Недавнее исследование с использованием полноволновой инверсии (FWI) переосмыслило то, что мы знаем о мантии, обнаружив сложные структуры, ранее не обнаруживаемые обычными методами.

Новый мир под корой

Тектоника плит — это теория, лежащая в основе современной геологии. По сути, в нем говорится, что внешняя оболочка Земли, или литосфера, разделена на большие твердые плиты, которые плавают и движутся по полужидкому слою внизу, называемому астеносферой. Эти плиты взаимодействуют на своих границах тремя основными способами: они сходятся, вызывая субдукцию или образование гор; они расходятся, создавая новую кору на срединно-океанических хребтах; либо они скользят друг мимо друга по трансформным разломам.

Когда они сходятся и вызывают субдукцию, более тяжелая плита погружается под менее плотную. Более тяжелый погружается в мантию.

Традиционно положительные аномалии скорости сейсмических волн в мантии приписывались «холодным плитам» — остаткам субдуцированных тектонических плит. По сути, аномалии скорости сейсмических волн в мантии долгое время считались «следами» таких плит. Но новое исследование показало, что многие из этих аномалий пространственно не коррелируют с известными зонами субдукции. Фактически выяснилось, что только 60–70% зон субдукции совпадают с положительными аномалиями.

«По-видимому, такие зоны в мантии Земли гораздо более распространены, чем считалось ранее», — говорит Томас Схоутен, первый автор и докторант Геологического института ETH Цюриха.

Маловероятно, что мы пропустили какие-либо крупные зоны субдукции, поэтому это говорит о том, что аномалии скорости волн могут иметь другую причину. Исследователи предполагают, что эти аномалии также могут быть вызваны различиями в составе, а не только колебаниями температуры. Например, аномалии могут быть связаны с присутствием химически различных материалов, таких как богатые базальтом породы или расслоенная литосфера.

Например, богатые базальтом регионы, остатки древней океанической коры, демонстрируют более высокие скорости волн из-за образования плотных минералов, таких как гранат и бриджманит, при высоких давлениях.

Полноволновая инверсия

Революционные возможности FWI обусловлены его способностью моделировать целые сейсмические волновые поля, включая отраженные, преломленные и рассеянные волны, а не только время прохождения. Этот подход значительно повышает разрешение, особенно в регионах с ограниченным количеством сейсмических станций. В отличие от традиционных моделей, FWI может фиксировать тонкие вариации и структуры меньшего масштаба.

Обратной стороной является то, что FWI требует огромных вычислительных ресурсов, требующих передовых алгоритмов и моделирования с ускорением на графическом процессоре для обработки данных. Благодаря недавним достижениям результаты говорят сами за себя: аномалии, которые были либо упущены из виду, либо неверно истолкованы предыдущими моделями, теперь ясно видны. Модель REVEAL, продукт FWI, на сегодняшний день является наиболее подробным представлением мантии Земли.

Последствия значительны. Прошлые модели тектонической истории часто основывались на корреляции между мантийными аномалиями и зонами субдукции. Поскольку эти процессы влияют на все — от вулканов и землетрясений до горообразования, выяснение того, что именно вызывает эти аномалии, существенно улучшило бы наше понимание Земли.

Но на данный момент мы все еще этого не знаем.

«Это наша дилемма. Благодаря новой модели высокого разрешения мы можем видеть подобные аномалии повсюду в мантии Земли. Но мы не знаем точно, что это такое и какой материал создает обнаруженные нами закономерности», — добавил Схоутен.

Исследователи подозревают, что причиной этих аномалий может быть не что-то одно, а несколько разных материалов и процессов.

«Мы думаем, что аномалии в нижней мантии имеют различное происхождение», — говорит Схоутен. «Это может быть либо древний, богатый кремнеземом материал, который находился там с момента образования мантии около 4 миллиардов лет назад и выжил, несмотря на конвективные движения в мантии, либо зоны, где в результате этих движений накапливаются богатые железом породы. движения мантии на протяжении миллиардов лет», — отмечает он.

Оспаривание старых предположений

Это исследование бросает вызов давним предположениям и открывает двери для более тонкой интерпретации внутренней динамики Земли.

Это намекает на сложную и разнообразную мантию, более богатую и разнообразную, как мы думали. Однако зависимость метода от распределения сейсмических данных означает, что некоторые регионы, особенно ниже внутренней части стабильных плит, остаются недостаточно изученными. Кроме того, результаты должны быть подтверждены другими исследованиями, прежде чем мы начнем переписывать книги по геологии.

Интеграция FWI с другими геофизическими и геохимическими инструментами может обеспечить более полное понимание динамики мантии. Например, объединение сейсмических данных с экспериментами по физике минералов могло бы помочь расшифровать точный состав аномалий с высокой скоростью волн, различая термические и химические вклады.

Исследование было опубликовано в Природа .