Используя сейсмические данные и суперкомпьютеры, геофизики из Университета Райса провели массивную сейсмическую компьютерную томографию верхней мантии под Тибетским плато и пришли к выводу, что южная половина «Крыши мира» сформировалась менее чем за четверть времени с начала индо-евразийского континентального столкновения.
Исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Nature Communications, показывает, что высота Южного Тибета в значительной степени была достигнута в течение 10 миллионов лет. Тектоническое столкновение континентальной Индии с Азией началось около 45 миллионов лет назад.
«Особенности, которые мы видим на нашем томографическом изображении, сильно отличаются от того, что мы видели до использования традиционных методов сейсмической инверсии», - сказал Мин Чен, ученый-исследователь из Райса, возглавлявший проект. «Поскольку мы использовали полную инверсию формы волны для усвоения большого набора сейсмических данных, мы смогли более четко увидеть, чем литосфера верхней мантии под Южным Тибетом отличается от литосферы окружающего региона. Наше сейсмическое изображение предполагает, что тибетская литосфера утолщалась и формировалась. более плотный корень, который оторвался и погрузился глубже в мантию. Мы пришли к выводу, что большая часть поднятия Южного Тибета, вероятно, произошла, когда этот литосферный корень откололся».
Исследование может помочь ответить на давние вопросы о формировании Тибета. Тибетское нагорье, известное как «Крыша мира», возвышается более чем на три мили над уровнем моря. Основная история его создания - тектоническое столкновение между Индийским и Евразийским континентами - хорошо известна школьникам всего мира, но конкретные детали остаются неясными. Например, что заставляет плато подниматься и как его большая высота влияет на климат Земли?
Ведущая теория утверждает, что плато непрерывно поднималось, как только началось столкновение континентов между Индией и Евразией, и что плато поддерживается движением Индийской плиты на север, которое заставляет плато сокращаться по горизонтали и одновременно двигаться вверх. », - сказал соавтор исследования Фенлин Ню, профессор наук о Земле в Райс. «Наши результаты подтверждают другой сценарий, более быстрое и импульсивное поднятие Южного Тибета».
Чену и его коллегам потребовалось три года, чтобы завершить томографическую модель коры и структуры верхней мантии под Тибетом. Модель основана на показаниях тысяч сейсмических станций в Китае, Японии и других странах Восточной Азии. Сейсмометры регистрируют время прихода и амплитуду сейсмических волн, импульсов энергии, которые высвобождаются при землетрясениях и проходят через Землю. Время прихода сейсмической волны на конкретный сейсмометр зависит от типа породы, через которую она прошла. Работа в обратном направлении от показаний приборов для расчета факторов, вызвавших их, - это то, что ученые называют обратной задачей, а сейсмологические обратные задачи с полными волновыми формами, включающими все виды пригодных для использования сейсмических волн, являются одними из самых сложных обратных задач, которые необходимо решить.
Чэнь и ее коллеги использовали технику, называемую полной инверсией формы волны, «итеративную технику полного согласования формы волны, которая использует сложный числовой код, требующий параллельных вычислений на суперкомпьютерах», - сказала она.
"Этот метод действительно позволяет нам использовать все колебания на большом количестве сейсмографов для создания более реалистичной трехмерной модели недр Земли, почти так же, как киты или летучие мыши используют эхолокацию, " она сказала. «Сейсмические станции подобны ушам животного, но эхо, которое они слышат, - это сейсмическая волна, которая либо прошла через подповерхностные объекты Земли, либо отразилась от них."
Томографическая модель включает особенности на глубину около 500 миль ниже Тибета и Гималаев. Модель была рассчитана на вычислительном кластере Rice DAVinCI и на суперкомпьютерах Техасского университета, которые являются частью среды исследований экстремальных наук и инженерии (XSEDE) Национального научного фонда.
«Механизм, который привел к подъему Южного Тибета, называется утолщением и опусканием литосферы», - сказал Чен. «Это произошло из-за сближения двух континентальных плит, каждая из которых находится на плаву, и их нелегко погружать под другую плиту. Одна из плит, в данном случае на тибетской стороне, была более деформируемой, чем другая, и она начала деформироваться. около 45 миллионов лет назад, когда началось столкновение, кора и жесткая крышка верхней мантии - литосфера - деформировались и утолщались, а более плотная нижняя часть этой утолщенной литосферы в конце концов проваливалась или откалывалась от остальной части литосферы. Сегодня в нашей модели мы можем видеть Т-образный участок этой осевшей литосферы, простирающийся на глубину от 250 до 660 километров».
Чэнь сказал, что после того, как более плотный литосферный корень отделился, оставшаяся литосфера под Южным Тибетом в ответ быстро поднялась.
«Т-образный кусок разрушенной литосферы погрузился глубже в мантию, а также вызвал горячий подъем астеносферы, что привело к поверхностному магматизму в Южном Тибете», - сказала она.
Такой магматизм задокументирован в горных породах региона, начиная примерно 30 миллионов лет назад в эпоху, известную как олигоцен.
«Пространственная корреляция между нашей томографической моделью и олигоценовым магматизмом предполагает, что поднятие Южного Тибета произошло за относительно короткий геологический период, который мог длиться всего 5 миллионов лет», - сказал Чен..