Тектоника плит, идея о том, что поверхность Земли состоит из плит, которые расходятся и снова сходятся, использовалась для объяснения местонахождения вулканов и землетрясений с 1960-х годов.
Одним хорошо известным примером этого является Тихоокеанское огненное кольцо, участок Тихого океана протяженностью 25 000 миль, известный своей чередой подводных вулканов (почти 450 из них) и местами землетрясений. Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA).
На Тихоокеанском побережье этот район расположен вдоль зоны субдукции, известной как плита Каскадия, которая проходит от западного побережья Канады до западного побережья Соединенных Штатов. Говорят, что большинство землетрясений происходит в зонах субдукции или вдоль разломов тектонических плит.
Что на самом деле определяет тектоническую плиту и какова ее толщина, однако, остается темой горячих споров. Это связано с тем, что, хотя ученые знают, что верхняя часть плиты - это поверхность Земли, определение нижней границы плиты было сложной задачей.
Недавнее исследование, проведенное Джессикой Уоррен из Университета Делавэра и ее коллегами из Оксфордского и Миннесотского университетов, дает новый набор данных, который ученые могут использовать для понимания этой проблемы.
Понимание толщины плиты важно для понимания того, как плиты перемещаются, как когда они формируются на срединно-океанических хребтах, так и позже, когда материал возвращается в Землю через зоны субдукции, такие как в Каскадии., Анды, Япония и Индонезия», - сказал Уоррен, доцент кафедры геологических наук Колледжа Земли, океана и окружающей среды.
"Это также может помочь ученым смоделировать и предсказать будущие землетрясения и вулканические опасности, где они могут произойти и насколько глубокими могут быть разрушения в зависимости от того, что показывают модели."
Оливин - надежная модель недр Земли
Чтобы понять, что происходит внутри Земли, ученые должны проявить творческий подход, потому что изучение недр Земли на месте невозможно.
Вместо этого ученые изучают, как сейсмические волны проходят через Землю, а затем инвертируют полученный сигнал, чтобы реконструировать то, что происходит. Они также моделируют тепловые свойства горных пород, в том числе то, где происходят температурные изменения, потому что они знают, что недра Земли более горячие, чем поверхностная кора.
«Наука говорит нам, что то, что мы предсказываем в отношении изменений температуры внутри Земли, должно согласовываться с тем, что говорят нам сейсмические волны. Проблема заключается в том, что эти две модели не согласуются», - сказал Уоррен, эксперт-петролог, изучающий происхождение горных пород и то, как они образовались.
Один из давних споров заключался в том, представляет ли разрыв Гутенберга - идентификация изменения сейсмических свойств - дно плиты.
Чтобы исследовать эту проблему, Уоррен и ее коллеги провели лабораторные эксперименты с оливином, основным минералом, обнаруженным в мантии Земли (примерно в верхних 250 милях от планеты). Оливин также является основным минералом перидотитовой породы, которая считается надежной моделью внутреннего строения Земли.
Исследователи взяли оливин и добавили расплав (также известный как базальт), чтобы имитировать процесс образования новой плиты на срединно-океаническом хребте. Затем команда перекрутила смесь оливина и расплава при высоких температурах и высоком давлении, чтобы определить влияние расплава на выравнивание кристаллов оливина. Затем они использовали эти эксперименты, чтобы предсказать сейсмическую характеристику этой породы, и сравнили ее с сейсмической характеристикой, связанной с неоднородностью Гутенберга.
Результаты группы показали, что разрыв Гутенберга не определяет дно плиты, а вместо этого вызван присутствием смесей оливина и расплава внутри тектонических плит.
"Я провел более десяти лет, изучая, как оливиновые минералы ориентируются в перидотитовых породах, потому что модели потока обеспечивают историческую запись того, как эти породы из мантии менялись и деформировались с течением времени", - говорит Уоррен.
Результаты исследовательской группы показывают, что лучший способ моделирования толщины пластины основан на тепловом профиле и кондуктивном охлаждении, которое происходит по мере старения пластины.
Мы думаем, что нижняя часть плиты находится ниже, где у вас есть охлаждение в температурном профиле. Это слой, который связан с захватом или замерзанием расплава в породе и изменением сейсмических свойств в породе. который впоследствии создал слой, который мы визуализируем», - сказала она. «По нашим оценкам, это означает, что тектонические плиты в океане имеют толщину примерно 100 километров или около 62 миль».
Данные группы также предлагают объяснение разрыва Гуттенберга, продолжил Уоррен, говоря, что это соответствует расплаву, который был захвачен или застыл в скале после плавления на срединно-океанических хребтах, что вызвало изменение в том, как сейсмические волны проходят сквозь скалу.