Большинство школьников узнают, что Земля имеет три (или четыре) слоя: кору, мантию и ядро, которое иногда подразделяют на внутреннее и внешнее ядро. В этом нет ничего плохого, но он упускает из виду несколько других слоев, которые ученые идентифицировали в пределах Земли.
В исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Science, геофизики из Принстона Джессика Ирвинг и Венбо Ву в сотрудничестве с Сидао Ни из Института геодезии и геофизики в Китае использовали данные сильного землетрясения в Боливии, чтобы найти горы и другие объекты. топография на слое, расположенном на 660 километров (410 миль) прямо вниз, который разделяет верхнюю и нижнюю мантию.(Не имея официального названия для этого слоя, исследователи называют его просто «660-километровой границей».)
Чтобы заглянуть вглубь Земли, ученые используют самые мощные волны на планете, которые генерируются сильными землетрясениями. «Вы хотите, чтобы большое, глубокое землетрясение заставило всю планету содрогнуться», - сказал Ирвинг, доцент геолого-геофизических исследований.
Большие землетрясения намного мощнее малых - энергия увеличивается в 30 раз с каждым шагом вверх по шкале Рихтера - и глубокие землетрясения, «вместо того, чтобы растрачивать свою энергию в коре, могут привести в движение всю мантию, - сказал Ирвинг. По ее словам, лучшие данные она получает от землетрясений магнитудой 7,0 и выше, поскольку ударные волны, которые они посылают во всех направлениях, могут проходить через ядро на другую сторону планеты - и обратно. Для этого исследования ключевые данные были получены от волн, поднятых после землетрясения силой 8,2 балла - второго по величине глубокого землетрясения из когда-либо зарегистрированных - которое потрясло Боливию в 1994 году.
«Такие сильные землетрясения случаются не очень часто», - сказала она. «Нам повезло, что сейчас у нас гораздо больше сейсмометров, чем даже 20 лет назад. Сейсмология - это другая область, чем 20 лет назад, между инструментами и вычислительными ресурсами».
Сейсмологи и специалисты по данным используют мощные компьютеры, в том числе кластер суперкомпьютеров Tiger в Принстоне, для моделирования сложного поведения рассеянных волн в недрах Земли.
Технология зависит от фундаментального свойства волн: их способности изгибаться и отскакивать. Подобно тому, как световые волны могут отражаться (отражаться) от зеркала или изгибаться (преломляться) при прохождении через призму, волны землетрясений проходят прямо через однородные породы, но отражаются или преломляются, когда сталкиваются с какой-либо границей или шероховатостью.
«Мы знаем, что почти все объекты имеют шероховатую поверхность и, следовательно, рассеивают свет», - сказал Ву, ведущий автор новой статьи, который только что защитил докторскую диссертацию по геолого-геофизическим наукам. D. и в настоящее время является постдокторантом в Калифорнийском технологическом институте. «Вот почему мы можем видеть эти объекты - рассеянные волны несут информацию о шероховатости поверхности. В этом исследовании мы исследовали рассеянные сейсмические волны, распространяющиеся внутри Земли, чтобы ограничить шероховатость 660-километровой границы Земли».
Исследователи были удивлены тем, насколько неровной является эта граница - более шероховатой, чем поверхностный слой, на котором мы все живем. «Другими словами, на 660-километровой границе присутствует более четкая топография, чем Скалистые горы или Аппалачи», - сказал Ву. Их статистическая модель не позволяла точно определить высоту, но есть шанс, что эти горы больше, чем что-либо на поверхности Земли. Шероховатость также не была распределена равномерно; точно так же, как поверхность земной коры имеет гладкое дно океана и массивные горы, граница в 660 км имеет неровные участки и гладкие участки. Исследователи также исследовали слой на глубине 410 километров (255 миль) в верхней части «переходной зоны» средней мантии и не обнаружили подобной шероховатости.
«Они обнаружили, что глубокие слои Земли так же сложны, как и то, что мы наблюдаем на поверхности», - сказала сейсмолог Кристин Хаузер, доцент Токийского технологического института, которая не участвовала в этом исследовании. «Обнаружение перепадов высот на 2 мили (1-3 км) на границе глубиной более 400 миль (660 км) с использованием волн, которые проходят через всю Землю и обратно, - это вдохновляющий подвиг… Их результаты показывают, что по мере возникновения землетрясений и сейсмические инструменты становятся все более изощренными и расширяются в новые области, мы будем продолжать обнаруживать новые мелкомасштабные сигналы, которые раскрывают новые свойства слоев Земли».
Что это значит
Присутствие шероховатости на 660-километровой границе имеет важное значение для понимания того, как наша планета формировалась и продолжает функционировать. Этот слой делит мантию, составляющую около 84 процентов объема Земли, на верхнюю и нижнюю части. В течение многих лет ученые-геологи спорили о том, насколько важна эта граница. В частности, они исследовали, как тепло проходит через мантию - плавно ли переносятся горячие породы от границы ядра и мантии (почти 2000 миль вниз) вплоть до вершины мантии, или же этот перенос прерывается. на этом слое. Некоторые геохимические и минералогические данные свидетельствуют о том, что верхняя и нижняя мантии химически различны, что подтверждает идею о том, что эти две части не смешиваются ни термически, ни физически. Другие наблюдения указывают на отсутствие химической разницы между верхней и нижней мантией, что заставляет некоторых спорить о так называемой «хорошо перемешанной мантии», когда и верхняя, и нижняя мантии участвуют в одном и том же цикле теплообмена.
«Наши результаты дают представление об этом вопросе», - сказал Ву. Их данные показывают, что обе группы могут быть частично правы. Более гладкие участки 660-километровой границы могли быть результатом более тщательного вертикального перемешивания, в то время как более грубые, гористые участки могли образоваться там, где верхняя и нижняя мантии также не смешиваются.
Кроме того, обнаруженная исследователями шероховатость, которая существовала в больших, средних и малых масштабах, теоретически могла быть вызвана тепловыми аномалиями или химическими неоднородностями. Но из-за того, как тепло передается внутри мантии, объяснил Ву, любая мелкомасштабная тепловая аномалия будет сглажена в течение миллиона лет. Остаются только химические различия, объясняющие обнаруженную ими мелкомасштабную шероховатость.
Что может вызвать значительные химические различия? Внедрение горных пород, которые раньше принадлежали земной коре, теперь спокойно покоятся в мантии. Ученые давно спорят о судьбе плит морского дна, которые вдавливаются в мантию в зонах субдукции, столкновения происходят по всему Тихому океану и в других местах по всему миру. Ву и Ирвинг предполагают, что остатки этих плит сейчас могут находиться чуть выше или чуть ниже 660-километровой границы.
Легко предположить, учитывая, что мы можем обнаружить только сейсмические волны, проходящие через Землю в ее нынешнем состоянии, что сейсмологи не могут помочь понять, как изменилась внутренняя часть Земли за последние 4 года.5 миллиардов лет», - сказал Ирвинг. «Что интересно в этих результатах, так это то, что они дают нам новую информацию для понимания судьбы древних тектонических плит, которые опустились в мантию, и где мог все еще находиться материал древней мантии».
Она добавила: «Сейсмология наиболее увлекательна, когда позволяет нам лучше понять внутреннюю часть нашей планеты как в пространстве, так и во времени».