Снимци високе резолуције откривају загонетне карактеристике дубоко под земљом

Анимација слојева земље.

Ново истраживање које је водио Универзитет у Кембриџу је прво које је добило детаљну ‘слику’ необичног џепа стене у граничном слоју са Земљиним језгром, око три хиљаде километара испод површине.

Мистериозни регион стена, који се налази скоро директно испод Хавајских острва, један је од неколико региона веома мале брзине – тако се зове зато што таласи земљотреса успоравају до пузања док пролазе кроз њих.

Истраживање објављено у часопису 19. маја 2022 Натуре Цоммуницатионсје први који открива у детаље сложену унутрашњу асиметрију једне од ових енклава, бацајући светло на дубоке унутрашње пејзаже Земље и процесе који се одвијају у њима.

„Од свих дубоких унутрашњих карактеристика Земље, ово је најфасцинантније и најкомплексније. Сада смо добили прве чврсте доказе који показују њену унутрашњу структуру – то је прави оријентир у дубокој сеизмологији“, рекао је главни аутор Зхи Ли, студент докторских студија у Одељењу за науке о Земљи у Кембриџу. тло“.

Унутрашњост Земље је формирана попут лука: у центру је гвоздено-никл језгро, окружено дебелим слојем познатим као омотач, а изнад њега танка спољашња кора – кора на којој живимо. Иако је плашт чврста стена, довољно је врућ да тече веома споро. Унутрашње конвекцијске струје доводе топлоту до површине, изазивајући померање тектонских плоча и подстичући вулканске ерупције.

Научници користе сеизмичке таласе од земљотреса да „виде“ шта се налази испод површине Земље — одјеци и сенке ових таласа откривају слике дубоке унутрашњости сличне радару. Али до недавно, „слике“ структура на граници језгра-плашт, области од примарног интереса за проучавање унутрашњег топлотног тока наше планете, биле су зрнасте и тешке за тумачење.

Догађаји и трајекторије Сдифф зрака коришћених у овој студији. а) Попречни пресек који пресеца центар области ултра-ниских брзина на Хавајима, који показује путање зрака за Сдифф таласе на 96°, 100°, 110° и 120° за 1Д ПРЕМ модел Земље. Испрекидане линије од врха до дна означавају дисконтинуитете од 410 км, 660 км и 2.791 км (100 км изнад границе језгро-плашт). б) Догађаји и трајекторије Сдифф зрака на моделу позадинске томографије СЕМУЦБ_ВМ1 на дубини од 2791 км. Лопте за плажу за догађаје офарбане у различите боје укључујући 20100,320 (жута), 20111214 (зелена), 20120417 (црвена), 20180910 (љубичаста), 20180518 (браон), 20181030 (ружичаста), 2016112 станица , и зраци. Сдифф таласне трајекторије на дубини рупе од 2791 км у доњем плашту коришћеном у овој студији. Догађај који се користи у анализи кратког периода је означен жутом бојом. Предложена локација УЛВЗ-а је приказана у црном кругу. Испрекидана линија приказује пресек нацртан у А. Кредит: Натуре Цоммуницатионс, ДОИ: 10.1038/с41467-022-30502-5

Истраживачи су користили најсавременије методе нумеричког моделирања да би открили структуре километарске скале на граници језгра-плашт. Према коаутору др Куангдаи Ленгу, који је развио методе док је[{“ 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