Затерянный мир под Тихим океаном: загадочные структуры

Затерянный мир под Тихим океаном: загадочные структуры, обнаруженные в недрах Земли открывают новые горизонты для исследований.

Никто не может заглянуть внутрь нашей планеты или пробурить скважину достаточно глубоко, чтобы получить образцы горных пород из мантии — слоя между ядром и внешним твёрдым слоем, литосферой. Также невозможно измерить температуру и давление на таких глубинах. Чтобы преодолеть эти ограничения, геофизики используют косвенные методы для изучения того, что скрывается глубоко под нашими ногами.

Один из ключевых методов — анализ сейсмограмм, то есть записей сейсмических волн. Измеряя скорость, с которой эти волны распространяются по Земле, учёные могут получить представление о её внутренней структуре. Этот процесс напоминает использование ультразвука врачами для создания изображений органов, мышц или вен внутри тела без хирургического вмешательства.

Сейсмические волны — источник информации

Вот как это работает: когда происходит землетрясение, сейсмические волны расходятся от эпицентра во всех направлениях. Проходя через Землю, эти волны могут преломляться (изгибаться), дифрагировать (огибать препятствия) или отражаться (возвращаться обратно). Скорость этих волн зависит не только от типа волны, но и от плотности и упругости материалов. Через которые они проходят.

Сейсмографические станции по всему миру регистрируют эти волны, позволяя геофизикам анализировать данные. Эти записи дают представление о внутреннем строении Земли, её составе и динамических процессах, происходящих глубоко внутри планеты.

Остатки тектонических плит там, где их быть не должно

С помощью сейсмических записей учёные-геологи определили положение подводных тектонических плит в мантии Земли. Они всегда находили их там, где и ожидали: в зонах субдукции, где встречаются две плиты и одна погружается под другую в недра Земли. Это помогло исследователям изучить тектонический цикл плит, то есть появление и разрушение плит на поверхности Земли на протяжении всей истории нашей планеты.

Однако недавно группа геофизиков из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Калифорнийского технологического института сделала удивительное открытие. С помощью новой модели высокого разрешения они обнаружили в недрах Земли дополнительные области, которые напоминают остатки затонувших плит.

Однако они находятся не там, где ожидалось, а под большими океанами или внутри континентов — далеко от границ плит. Там также нет геологических свидетельств того, что в прошлом происходила субдукция. Это исследование было недавно опубликовано в журнале Scientific Reports.

Новым в их подходе к моделированию является то, что исследователи из ETH используют для изучения структуры недр Земли не только один тип сейсмических волн, но и все их типы. Эксперты называют эту процедуру полной инверсией формы волны. Это делает модель очень ресурсоёмкой, поэтому исследователи использовали суперкомпьютер Piz Daint в CSCS в Лугано.

Существует ли затерянный мир под Тихим океаном?

«Судя по всему, такие зоны в мантии Земли гораздо более распространены, чем считалось ранее», — говорит Томас Шаутен, первый автор и аспирант Геологического института Швейцарской высшей технической школы Цюриха.

Одна из недавно обнаруженных зон находится под западной частью Тихого океана. Однако, согласно современным теориям тектоники плит и знаниям, там не должно быть материала из субдуцированных плит, потому что в недавней геологической истории поблизости не было зон субдукции. Исследователи не знают наверняка, какой материал там находится и что это значит для внутренней динамики Земли.

«Это наша дилемма. С помощью новой модели высокого разрешения мы можем увидеть такие аномалии повсюду в мантии Земли. Но мы не знаем точно, что это такое и из какого материала состоят обнаруженные нами структуры», — объясняет Томас Шаутен.

Профессор ETH Андреас Фихтнер сравнивает это с тем, как врач десятилетиями исследовал кровообращение с помощью УЗИ и находил артерии именно там, где ожидал их увидеть. «Затем, если вы дадите ему новый, более совершенный инструмент для исследования, он вдруг увидит артерию в ягодице, которой там на самом деле быть не должно. Именно так мы воспринимаем новые открытия», — объясняет физик-волновик. Он разработал модель в своей группе и написал код.

Извлечение дополнительной информации из волн

На данный момент исследователи могут лишь строить предположения. «Мы считаем, что аномалии в нижней мантии имеют различное происхождение», — говорит Шаутен. Он предполагает, что это не просто материал холодной плиты, который погрузился в мантию за последние 200 миллионов лет, как считалось ранее.

«Это может быть либо древний материал, богатый кремнезёмом, который находился там с момента формирования мантии около 4 миллиардов лет назад и сохранился, несмотря на конвекционные движения в мантии, либо зоны, где в результате этих движений в мантии на протяжении миллиардов лет накапливаются богатые железом породы», — отмечает он.

Для докторанта это означает прежде всего, что необходимы дополнительные исследования с использованием ещё более совершенных моделей, чтобы увидеть более подробные сведения о недрах Земли. «Волны, которые мы используем для модели, по сути, отражают только одно свойство, а именно скорость, с которой они распространяются в недрах Земли», — говорит учёный-геолог. Однако это не отражает в полной мере сложную структуру недр Земли.

«Мы должны рассчитать различные параметры материала, которые могли бы генерировать наблюдаемые скорости различных типов волн. По сути, нам нужно глубже изучить свойства материала, влияющие на скорость волны», — говорит Шаутен.