Чрез разпространението на сеизмичните вълни в недрата на Земята геолозите сякаш „сканират“ планетата и откриват все по-интересни особености в нейната вътрешна структура. Наскоро поредното такова изследване накарало учените да разгледат особено внимателно какво се крие под Тихоокеанската литосферна плоча. Мантията на Земята не е просто горещ, плътен слой скала; това е динамичен и разнообразен двигател, движещ геологията на нашата планета.
Много хора си представят структурата на Земята като подредена, слоеста система: тънката кора на повърхността, дебелата мантия отдолу и ядрото в центъра. Но под краката ни се крие свят, много по-сложен и динамичен, отколкото предполага тази опростена гледна точка. Скорошни изследвания, използващи авангардна технология за пълна инверсия на формата на вълната (FWI), са разкрили, че мантията на Земята е хаотична и разнообразна смесица от структури, предизвикващи дългогодишните предположения за нейния състав и поведение.
ОЩЕ: Продължителността на дните се променя и причината вероятно е дълбоко в Земята
Мантията на Земята е „двигателят“ на тектониката на плочите. Простирайки се на почти 2900 километра дълбочина, тя оформя голяма част от геологията и еволюцията на планетата. Но проблемът е, че не можем наистина да видим мантията или да копаем до нея. Вместо това голяма част от това, което знаем за мантията (и по-дълбоките области), идва от сеизмологията.
Сеизмологията изучава вътрешността на Земята, като анализира как сеизмичните вълни, генерирани от земетресения или изкуствени източници, преминават през нейните слоеве. Когато тези вълни срещнат промени в свойствата на материала – като разлики в температурата, плътността или състава – те променят скоростта, посоката или вида си. Чрез измерване на тези промени в сеизмичните станции на повърхността учените могат да картографират аномалии в мантията, като по-високи скорости на вълните, показващи по-студени, по-плътни материали, или по-бавни скорости, предполагащи по-горещи или по-малко плътни области.
ОЩЕ: Образуването на Хималаите е унищожило 30 процента от континенталната кора
Сеизмичната томография използва тези измервания за създаване на 3D модели на мантията. Това разкрива нейните скрити структури и ни помага да разберем динамичните ѝ процеси. Но сеизмичната томография има своите ограничения. Скорошно проучване, използващо пълна инверсия на формата на вълната (FWI), предефинира това, което знаем за мантията, разкривайки сложни структури, които преди това не са били откриваеми с конвенционалните методи.
Нов свят под кората
Тектониката на плочите е теорията, която е в основата на съвременната геология. Основно се посочва, че външната обвивка на Земята или литосферата е разделена на големи, твърди плочи, които плават и се движат върху полутечния слой отдолу, наречен астеносфера. Тези плочи взаимодействат на своите граници по три основни начина: те се сближават в процес, известен като субдукция или образуване на планини; разминават се, създавайки нова кора в средноокеанските хребети; или се плъзгат една покрай друга по разломите.
ОЩЕ: Кога земните плочи са се разделили и са започнали своето движение?
Изобразяване на субдукция. KDS4444 / Wikimedia Commons / CC BY-SA 4.0
Когато се сближат и предизвикат субдукция, по-тежката плоча потъва под по-малко плътната. По-тежката потъва в мантията.
Традиционно положителните аномалии на скоростта на сеизмичните вълни в мантията се приписват на „студени плочи“ – останки от субдуцирани тектонски плочи. По същество аномалиите на скоростта на сеизмичните вълни в мантията отдавна се смятат за „отпечатъци“ на такива плочи. Но новото изследване е установило, че много от тези аномалии не корелират пространствено с известните зони на субдукция. Всъщност то е установило, че само 60 – 70% от зоните на субдукция са в съответствие с положителни аномалии.
„Очевидно такива зони в мантията на Земята са много по-разпространени, отколкото се смяташе досега“, казва Томас Шоутен, първи автор и докторант в Геоложкия институт на Швейцарския технологичен институт в Цюрих.
ОЩЕ: Геолози обясниха разрушаването на един от най-древните кратони на Земята
Малко вероятно е да сме пропуснали големи зони на субдукция, затова се предполага, че аномалиите в скоростта на вълната може да имат друга причина. Изследователите предполагат, че тези аномалии могат да се дължат и на разлики в състава, а не само от температурни вариации. Например аномалиите може да произтичат от наличието на химически различни материали като богати на базалт скали или разслоена литосфера.
Например богатите на базалт региони, останки от древна океанска кора, показват по-високи скорости на вълните поради образуването на плътни минерали като гранат и бриджманит при високо налягане.
Пълната инверсия на формата на вълната (FWI)
Пълната инверсия на формата на вълната (FWI) е техника за сеизмични изображения с висока разделителна способност, която се основава на използването на цялото съдържание на сеизмични следи за извличане на физически параметри на средата, взета от сеизмичните вълни.
ОЩЕ: Морско дъно от времето на динозаврите се крие в мантията на Земята
Глобалното разпределение на сеизмичните станции (a), местоположенията на приемниците (b) и аномалиите на скоростта на сеизмичните вълни (c, d, e, f) са използвани за конструиране на модела. Аномалиите с бързи вълни са показани в синьо, а бавните аномалии – в червено. Schouten et al., Scientific Reports, 2025
Революционните способности на FWI произтичат от способността ѝ да симулира цели сеизмични вълнови полета, включително отразени, пречупени и разпръснати вълни, вместо само времето им на пътуване. Този подход значително подобрява разделителната способност, особено в региони с ограничен брой сеизмични станции. За разлика от традиционните модели, FWI може да улови фини вариации и по-малки по мащаб структури.
Недостатъкът е, че изчислителните изисквания на FWI са огромни, изискващи усъвършенствани алгоритми за обработка на данните. С последните подобрения резултатите говорят сами за себе си: аномалии, които са били пренебрегнати или погрешно интерпретирани от по-ранни модели, сега са ясно видими. Моделът REVEAL, продукт на FWI, е най-подробното представяне на мантията на Земята досега.
Последствията са съществени. Предишните модели на тектонската история често разчитаха на корелацията между аномалиите на мантията и зоните на субдукция. Тъй като тези процеси засягат всичко – от вулкани и земетресения до формиране на планини, разбирането какво точно причинява тези аномалии значително би подобрило нашето разбиране за Земята. Но засега все още не го знаем.
ОЩЕ: Скрити сили издигат континентите на Земята
„Това е нашата дилема. С новия модел с висока разделителна способност можем да видим такива аномалии навсякъде в мантията на Земята. Но ние не знаем точно какви са те или какъв материал създава моделите, които сме разкрили“, добави Шоутен.
Изследователите подозират, че не само едно нещо, а възможно няколко различни материала и процеси причиняват тези аномалии.
„Смятаме, че аномалиите в долната мантия имат различен произход“, казва Шоутен. „Това може да бъде или древен, богат на силициев диоксид материал, който е бил там от образуването на мантията преди около 4 милиарда години и е оцелял въпреки конвективните движения в мантията, или зони, където богатите на желязо скали се натрупват като следствие от движенията на мантията в продължение на милиарди години“, отбелязва той.
Изследването е публикувано в Scientific Reports.
