Изображение с высоким разрешением раскрывает загадочные особенности глубоко под землей

Новое исследование, проведенное Кембриджским университетом, впервые позволило получить подробное «изображение» необычного кармана породы в пограничном слое с ядром Земли, примерно в трех тысячах километров под поверхностью.

Таинственная область скалы, расположенная почти прямо под Гавайскими островами, является одной из нескольких областей с очень низкой скоростью, названной так потому, что волны землетрясений замедляются до ползания, когда они проходят через них.

Исследование опубликовано в журнале 19 мая 2022 г. Связь с природойвпервые подробно раскрывает сложную внутреннюю асимметрию одного из этих анклавов, проливая свет на глубокие внутренние ландшафты Земли и процессы, происходящие в них.

«Из всех глубинных внутренних особенностей Земли это самое увлекательное и сложное. Теперь мы получили первое надежное доказательство, показывающее ее внутреннюю структуру — это настоящая веха в глубинной сейсмологии», — сказал ведущий автор Чжи Ли, аспирант. в Департаменте наук о Земле в Кембридже. земля».

Недра Земли сформированы подобно луковице: в центре находится железо-никелевое ядро, окруженное толстым слоем, известным как мантия, а над ним тонкая внешняя корка — кора, на которой мы живем. Хотя мантия состоит из твердой породы, она достаточно горячая, чтобы течь очень медленно. Внутренние конвекционные потоки отдают тепло на поверхность, вызывая движение тектонических плит и вызывая извержения вулканов.

Ученые используют сейсмические волны от землетрясений, чтобы «увидеть» то, что находится под поверхностью Земли — эхо и тени этих волн показывают, как радарные изображения глубоких недр. Но до недавнего времени «изображения» структур на границе ядра и мантии, области, представляющей основной интерес для изучения внутреннего теплового потока нашей планеты, были зернистыми и трудными для интерпретации.

События и траектории лучей Sdiff, использованные в этом исследовании. a) Поперечное сечение, проходящее через центр области сверхнизких скоростей на Гавайях, показывающее траектории лучей для волн Sdiff под углами 96°, 100°, 110° и 120° для одномерной модели Земли PREM. Штриховыми линиями сверху вниз показаны разрывы 410 км, 660 км и 2791 км (100 км над границей ядра и мантии). б) События и траектории Sdiff-лучей на модели фоновой томографии SEMUCB_WM1 на глубине 2791 км. Пляжные мячи для мероприятий окрашены в разные цвета, включая 20100,320 (желтый), 20111214 (зеленый), 20120417 (красный), 20180910 (фиолетовый), 20180518 (коричневый), 20181030 (розовый), 20161122 (серый), станции (треугольники). , и лучи. В работе использованы траектории волн Сдиффа на глубине 2791 км в нижней мантии. Событие, использованное в краткосрочном анализе, выделено желтым цветом. Предлагаемое расположение УЛВЗ показано черным кружком. Пунктирная линия показывает поперечное сечение, нарисованное в A. Предоставлено: Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5.

Исследователи использовали самые современные методы численного моделирования для обнаружения структур километрового масштаба на границе ядра и мантии. По словам соавтора доктора Куангдай Ленга, который разработал эти методы в то время, когда[{» attribute=»»>University of Oxford, “We are really pushing the limits of modern high-performance computing for elastodynamic simulations, taking advantage of wave symmetries unnoticed or unused before.” Leng, who is currently based at the Science and Technology Facilities Council, says that this means they can improve the resolution of the images by an order of magnitude compared to previous work.

The researchers observed a 40% reduction in the speed of seismic waves traveling at the base of the ultra-low velocity zone beneath Hawaii. This supports existing proposals that the zone contains much more iron than the surrounding rocks – meaning it is denser and more sluggish. “It’s possible that this iron-rich material is a remnant of ancient rocks from Earth’s early history or even that iron might be leaking from the core by an unknown means,” said project lead Dr Sanne Cottaar from Cambridge Earth Sciences.

Conceptual cartoons of the Hawaiian ultra-low velocity zone (ULVZ) structure. A) ULVZ on the core–mantle boundary at the base of the Hawaiian plume (height is not to scale). B) a zoom in of the modeled ULVZ structure, showing interpreted trapped postcursor waves (note that the waves analyzed have horizontal displacement). Credit: Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5

The research could also help scientists understand what sits beneath and gives rise to volcanic chains like the Hawaiian Islands. Scientists have started to notice a correlation between the location of the descriptively-named hotspot volcanoes, which include Hawaii and Iceland, and the ultra-low velocity zones at the base of the mantle. The origin of hotspot volcanoes has been debated, but the most popular theory suggests that plume-like structures bring hot mantle material all the way from the core-mantle boundary to the surface.

With images of the ultra-low velocity zone beneath Hawaii now in hand, the team can also gather rare physical evidence from what is likely the root of the plume feeding Hawaii. Their observation of dense, iron-rich rock beneath Hawaii would support surface observations. “Basalts erupting from Hawaii have anomalous isotope signatures which could either point to either an early-Earth origin or core leaking, it means some of this dense material piled up at the base must be dragged to the surface,” said Cottaar.

More of the core-mantle boundary now needs to be imaged to understand if all surface hotspots have a pocket of dense material at the base. Where and how the core-mantle boundary can be targeted does depend on where earthquakes occur, and where seismometers are installed to record the waves.

The team’s observations add to a growing body of evidence that Earth’s deep interior is just as variable as its surface. “These low-velocity zones are one of the most intricate features we see at extreme depths – if we expand our search, we are likely to see ever-increasing levels of complexity, both structural and chemical, at the core-mantle boundary,” said Li.

They now plan to apply their techniques to enhance the resolution of imaging of other pockets at the core-mantle boundary, as well as mapping new zones. Eventually, they hope to map the geological landscape across the core-mantle boundary and understand its relationship with the dynamics and evolutionary history of our planet.

Reference: “Kilometer-scale structure on the core–mantle boundary near Hawaii” by Zhi Li, Kuangdai Leng, Jennifer Jenkins and Sanne Cottaar, 19 May 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5