Когда Дуг Винс обращался к фермерам из Миннесоты с просьбой разрешить установить сейсмометр на их земле, на него часто смотрели озадаченно. «Можно было сказать, что они думали: «Зачем вы ставите здесь сейсмометр?», - сказал Винс, профессор наук о Земле и планетах в области искусств и наук Вашингтонского университета в Сент-Луисе. «У нас нет ни землетрясений, ни вулканов. Вы знаете что-то, чего не знаем мы?»"
Вообще-то так и было. Глубоко под плодородными плоскими сельскохозяйственными угодьями на Земле есть огромный шрам, называемый Мидконтинентальным разломом. Эта древняя и скрытая особенность является молчаливым свидетелем того времени, когда ядро того, что впоследствии станет Северной Америкой, почти разорвалось на части. Если бы U-образный разрыв завершился, земля между его рукавами, включая по крайней мере половину того, что сейчас называется Средним Западом, оторвалась бы от Северной Америки, оставив после себя огромный океан.
Вайзен Шен, научный сотрудник компании Wiens с докторской степенью, представит сейсмические изображения разлома на ежегодном собрании Геологического общества Америки (GSA) 25-28 сентября. Изображения были сделаны путем анализа данных Earthscope, программы Национального научного фонда (NSF), которая за последние 10 лет развернула тысячи сейсмических инструментов по всей Америке.
Что это за штука?
Разлом Мидконтинента был обнаружен геофизиками, которые заметили, что гравитация в некоторых частях верхнего Среднего Запада сильнее, чем в других. В 1950-х и 1960-х годах они нанесли на карту гравитационные и магнитные аномалии с помощью бортовых датчиков. Шен участвует в сессии GSA, посвященной Биллу Хайнце, геофизику, который помог открыть и нанести на карту Мидконтинентальный разлом.
Но понимание разлома застопорилось до 2003 года, когда NSF профинансировал Earthscope, программу, миссия которой состоит в том, чтобы использовать Северную Америку в качестве естественной лаборатории, чтобы получить представление о том, как работает Земля.
В рамках проекта Earthscope Объединенные исследовательские институты сейсмологии (IRIS) установили сеть из 400 сейсмометров, названную USArray, которая прошла через Соединенные Штаты с запада на восток, собирая данные в каждом месте за два года до двигаться дальше. USArray был установлен на Западном побережье в начале 2004 года, а к 2010 году продвинулся на Средний Запад.
Earthscope также предоставил пул сейсмометров, называемый гибким массивом, для более целенаправленных полевых экспериментов. Консорциум университетов, включая Вашингтонский университет в Сент-Луисе. В 2011 году Луи установил 83 таких станции вдоль и поперек разлома, создав плотный массив под названием SPREE.
Телескоп смотрит вниз
Сейсмологи никогда прежде не были в состоянии покрыть ландшафт сейсмометрами таким образом, и поэтому USArray стимулировал множество инноваций в манипулировании сейсмическими данными для извлечения информации о земной коре и верхней мантии.
Сейсмическая интерпретация представляет собой сложный вариант того, что называется обратной задачей. Если бы внутренняя часть Земли имела однородный состав, сейсмические волны распространялись бы по прямым линиям. Но вместо этого подземные сооружения или различия в температуре и плотности преломляют и отражают их. Проблема состоит в том, чтобы вычислить математически, какие препятствия могли вызвать волны, зарегистрированные сейсмометрами.
Это немного похоже на попытку определить форму острова в пруду, бросив в озеро камешек и записав рябь, падающую на берег.
Мастером данных в команде Вашингтонского университета является Шен, который разработал новые методы объединения многих типов сейсмологических данных для создания более четких изображений недр Земли.
Фермеры в Миннесоте не без основания задаются вопросом, что может обнаружить «датчик землетрясений» в районе, где нет землетрясений. Ответ заключается в том, что сейсмометры регистрируют отдаленные землетрясения, такие как землетрясения в Тихоокеанском огненном кольце на противоположной стороне планеты, и окружающие шумы, вызванные такими действиями, как мощные штормы, обрушивающиеся на берег Джерси.
Шен приправил смесь несколькими другими измерениями, которые также можно извлечь из сейсмических записей. Инвертируя все эти функции данных одновременно в байесовской статистической структуре, он может получить гораздо более четкие изображения внутренней части Земли, чем один тип данных, вместе с оценками вероятности того, что изображения верны.
Не просто шрам, келоидный рубец
Что ученые узнали о разломе?
«Когда вы разрываете континент, как кусок ириски, он начинает растягиваться и истончаться», - сказал Майкл Вайсешн, профессор наук о Земле и планетах и член команды SPREE. «И по мере того, как он прогибается, впадина заполняется отложениями низкой плотности.
Итак, если вы пройдете через разлом с датчиком гравитации, вы ожидаете найти отрицательную гравитационную аномалию. Масса должна отсутствовать. Но это не то, что произошло с Разломом Мидконтинента. Вместо того, чтобы быть тоньше, чем окружающая кора, он толще.
«Мы знаем, что лава выходит из разломов», - сказал Вайсессион. «Восточноафриканская рифтовая зона, например, включает в себя ряд действующих и спящих вулканов, таких как гора Килиманджаро. Но Мидконтинентальный рифт был затоплен лавой, и по мере того, как он опускался под тяжестью остывающей базальтовой породы, изливалось еще больше лавы. в депрессию.
«Здесь излился огромный объем лавы», - сказал Вайсессион. «Это было, пожалуй, самое большое излияние лавы в истории нашей планеты. А затем, после того, как извержения закончились, область была сжата горообразованием на востоке, утолщая шрам, сжимая его по горизонтали.
Шен опубликовал изображения разлома, сделанные с помощью данных USArray, в Журнале геофизических исследований за 2013 год. Но в то время у него было лишь немного информации о районе разлома. На собрании GSA 2016 года он представит изображения, сделанные как с данными USArray, так и с данными SPREE (в частности, многие другие «функции приемника», тип сейсмических данных, который особенно чувствителен к сейсмическим границам), которые более четко показывают, что находится под разломом.
Миль под поверхностью Земли находится сейсмическая граница, называемая разрывом Мохоровичича, или Мохо. В Мохо сейсмические волны ударяются о материал с более высокой плотностью и внезапно ускоряются. Но под разломом, сказал Шен, Мохо скорее размыт, чем резок.«Его структура разрушена», - сказал он.
Он также видит свидетельства того, что называется магматическим андерплейтингом. «Мы думаем, что магма могла застрять или застопориться в Мохо или внутри коры во время ее подъема на поверхность», - сказал он. Это может объяснить, почему Moho так расстроен, хотя Шен может придумать альтернативные объяснения и ожидает оживленных дискуссий в GSA.
Он сравнивает изображения разлома Мидконтинента, сделанные с помощью массива SPREE, с изображениями разлома Рио-Гранде, сделанными с помощью аналогичного сейсмического массива под названием La Ristra. Изображения Ла Ристра показывают, что разлом Рио-Гранде тоньше окружающей коры, а не толще. Мохо чистый и поднимается, а не тонет под разломом.
«Я думаю, что мы рассматриваем разные стадии рифтинга», - сказал Шен. Разлом Рио-Гранде все еще активен, все еще открывается, но Разлом Мидконтинента уже мертв и закрыт.
Винс прокомментировал, что огромное излияние магмы в Мидконтинентальном разломе могло также разрушить его структуру, сделав его отличным от других разломов.
«Моя цель, - сказал Шен, - состоит в том, чтобы предоставить геологам, геохимикам и ученым из других дисциплин базовые сейсмические модели интересных тектонических регионов, подобных этой, чтобы они могли использовать их, чтобы помочь им интерпретировать свои результаты, а также помочь общественности. чтобы лучше понять историю земли, на которой они живут."
Rural Minnesota уже на борту. «Некоторые землевладельцы были очень заинтересованы в том, что мы делаем, - сказал Винс. «Мы попали в одну или две газеты маленького городка. «Такой-то теперь имеет сейсмометр на своей ферме», - гласил заголовок».