САНТА-КРУЗ, Калифорния - Массивный шлейф раскаленной породы, поднимающийся сквозь Землю и прорывающийся через дно океана, формировал острова в центральной части Тихого океана, в том числе Гавайи, по крайней мере, 80 миллионов лет. Теперь ученые из Калифорнийского университета в Санта-Круз, возможно, определили местонахождение гавайского шлейфа на границе между слоем мантии Земли и ее металлическим ядром.
Насколько глубоко простирается гавайский шлейф, уже давно является предметом споров среди ученых-геологов, сказала Сара Рассел, аспирантка UCSC, специализирующаяся на науках о Земле. Рассел работал с Торном Леем, профессором и заведующим кафедрой наук о Земле Калифорнийского университета в Калифорнии, и Эдвардом Гарнеро, сейсмологом-исследователем сейсмологической лаборатории Калифорнийского университета в Беркли, над новым исследованием, опубликованным в выпуске научного журнала Nature от 19 ноября.
Исследователи обнаружили свидетельства существования гавайского плюма в самом основании мантии, примерно на 1 800 миль (2 890 км) под поверхностью Земли. Здесь расплавленный внешний слой ядра Земли нагревает вышележащие породы в основании мантии.
Используя сейсмические волны, генерируемые землетрясениями, для исследования этих глубоких слоев Земли, Рассел определил структурный паттерн в пограничном слое между мантией и ядром, который предполагает, что материал течет горизонтально к основанию гавайской горячей точки, а затем поднимаясь вертикально.
«Мы наблюдаем переход от горизонтальной к вертикальной структуре, что, по-видимому, связано с гавайским шлейфом», - сказал Рассел.
Гавайская горячая точка является самой продуктивной горячей точкой в мире, связанной с шлейфами, сказал Лэй. Его вулканические извержения создали подводные горы, которые в конечном итоге вышли из моря в виде островов. Например, Мауна-Лоа на Гавайях - самая массивная гора на Земле, занимающая 10 000 кубических миль и возвышающаяся на 30 000 футов над морским дном.
Тектоническое движение переносит Тихоокеанскую плиту земной коры над горячей точкой, в результате чего на морском дне образуется ряд вулканов. На северо-запад от Гавайев тянется длинная цепь подводных гор, которые когда-то возвышались над горячей точкой, как Гавайи сейчас, сказал Лэй.
Чтобы изучить структуру границы ядра и мантии под Гавайской горячей точкой, Рассел проанализировал сейсмические волны от землетрясений в районе Тонга и Фиджи. Землетрясения магнитудой от 5,0 до 7,0 произошли глубоко под землей и породили сейсмические волны, которые прошли через глубокую мантию под Гавайской горячей точкой, прежде чем были обнаружены сейсмическими приборами на западном побережье Соединенных Штатов.
«Сигналы от событий такого масштаба можно обнаружить во всем мире с помощью чувствительных сейсмометров», - сказал Лэй. «Хотя самые сильные из этих землетрясений ощущаются на островах Тонга и Фиджи, большинство из них не являются ньюсмейкерами», - отметил он.
Большая часть данных, использованных в исследовании, была получена с станций регистрации сейсмологических данных в Калифорнии и Орегоне, сказал Рассел. В последние годы сейсмологи значительно увеличили количество таких станций, что позволило Расселу провести более подробный анализ глубинных структур под Гавайями, чем в любом предыдущем исследовании.
Основной метод, называемый сейсмической томографией, использует те же типы вычислений, что и компьютерная томография (КТ) сканирует тело из рентгеновских лучей, проходящих под разными углами, сказал Лэй. Поскольку сейсмические волны излучаются наружу от эпицентра землетрясения, на их скорость и другие свойства влияют различные типы горных пород, с которыми они сталкиваются. Сравнивая сейсмические волны, которые проходят через Землю по разным путям, ученые могут делать выводы о внутренней структуре Земли.
Исследование Рассела выходит за рамки обычной томографии, которая фокусируется на времени прохождения сейсмических волн, и включает анализ того, как поляризуются сейсмические колебания. Этот поляризационный анализ чувствителен к структурным изменениям, вызванным течением, и впервые выявил вариации в основании мантии, предполагающие локальный переход от горизонтального течения к вертикальному..
Недавно опубликованное исследование ученых из Гарвардского университета дает неожиданную теоретическую поддержку открытиям Рассела. Опубликованное в Geophysical Journal International исследование предсказывает, где будет находиться основание гавайского шлейфа, если он будет простираться в нижний слой мантии. Гавайский шлейф не поднимается прямо сквозь землю, потому что он проходит через слои породы в мантии, которые движутся горизонтально. Основываясь на ожидаемом отклонении плюма по мере его подъема через мантию, исследователи из Гарварда предсказали его расположение в нижней части мантии как раз в той области, где Рассел обнаружил признаки перехода от горизонтального к вертикальному течению в пограничном слое ядра и мантии..
Тем не менее, сказал Лэй, необходимы дополнительные исследования, чтобы подтвердить, что недавно обнаруженные структурные особенности действительно связаны с гавайским шлейфом. «Это, безусловно, будет провокационная статья, и если она окажется верной, то станет знаковой», - сказал он.