Тайна земных капель. Земную мантию пронзают таинственные структуры размером с континент

Тайна земных капель. Земную мантию пронзают таинственные структуры размером с континент

Gifx

Примерно на полпути от ваших стоп к центру Земли две горы из горячей сжатой породы пронзают внутренности планеты — каждая размером с континент.

источник

дополнение к посту, основанное на новых открытиях.

Исследователи, заглядывающие внутрь Земли, обнаружили две структуры размером с континент, которые переворачивают нашу картину мантии. Что их существование может означать для нас на поверхности Земли?

Вырез Земли с мантийной конвекцией

Что лежит ниже? Вырез Земли вниз к жидкому ядру показывает вращающуюся мантийную скалу (темно-синего цвета). Сделанное из численной модели конвекции, изображение показывает таинственные структуры под Тихим океаном, которые, как полагают некоторые исследователи, являются ключом к раскрытию тайн прошлого Земли (светло-голубой). Предоставлено: Mingming Li / Аризонский государственный университет.

Приблизительно в 2000 километрах под нашими ногами огромные массы горячего мантийного материала сбивали ученых с толку в течение последних 4 десятилетий.

Капли, как их называют некоторые ученые, размером с континент и простираются в 100 раз выше, чем гора Эверест. Они сидят на дне каменистой мантии Земли над расплавленным внешним ядром, местом, настолько глубоким, что элементы периодической системы сжимаются до неузнаваемости. Капли сделаны из того же материала, что и остальная часть мантии, но они могут быть более горячими и тяжелыми и содержать ключ к раскрытию истории прошлого Земли.

Ученые впервые заметили капли в конце 1970-х годов. Исследователи тогда изобрели новый способ исследования Земли: сейсмическая томография. Когда землетрясение сотрясает планету, оно испускает волны энергии во всех направлениях. Ученые отслеживают эти волны, когда они достигают поверхности, и вычисляют, откуда они пришли. Глядя на время прохождения волн от многих землетрясений, взятых из тысяч приборов по всему земному шару, ученые могут реконструировать картину внутренней части Земли. Процесс аналогичен тому, как врач использует ультразвуковое устройство для изображения плода в утробе матери.

Gifx

Капли сидят на внешнем ядре. Sanne Cottaar

«В конечном счете, многие люди считают, что тектоника плит является одной из причин, по которой мы живем на Земле», — говорит геофизик Гарриет Лау из Гарвардского университета. Ученые полагают, что эти капли играют роль во многих процессах глубокой Земли, включая тектонику плит и вулканизм.

Как только исследователи начали формировать картину внутренней Земли, они начали видеть вещи, которые они никогда не воображали.

«В этих моделях с самого начала было очень ясно, что на дне мантии Земли, почти на полпути к центру, существуют огромные зоны, где волны распространяются медленнее», — сказал Эд Гарнеро, профессор исследования Земли и космоса. в университете штата Аризона.

Зоны скорости медленных волн сосредоточены в двух местах: одна находится под Тихим океаном, а другая — под Африкой и частью Атлантического океана. Они выглядят как «массивные горы на границе ядро-мантия», говорит сейсмолог Санн Коттаар из Кембриджского университета. Другие исследователи описывают их как конические гравийные ямы, «сидящие друг на друге» или как гигантские песчаные кучи. Капли настолько большие, что если бы они сидели на поверхности Земли, Международной космической станции пришлось бы перемещаться вокруг них.

«Их в основном нельзя пропустить», — сказала сейсмолог Карин Сиглох из Оксфордского университета. «Они просто появляются на всех фотографиях».

Существует мало сомнений в том, что капли существуют, но ученые не знают, что они такое. В недавней газете говорилось, что капли «остаются загадочными». Ученые не могут даже решить, как их назвать. Они имеют много названий, чаще всего LLSVP, что означает большие провинции с низкой скоростью сдвига.

Рендеринг капель

Капли, видимые с (а) северного и (б) южного полюсов. Двухцветные структуры показывают формы капли, основанные на согласии пяти разных моделей (коричневый) и трех разных моделей (оранжевый). Предоставлено Cottaar and Lekic, 2016, https://doi.org/10.1093/gji/ggw324.

Одной из причин этой загадки является то, с чем всегда боролись ученые Земли: они никогда не смогут посетить внутреннюю часть Земли. «Мы меньше знаем о том, что находится глубоко под нашими ногами, чем поверхность Солнца, Луны или Марса», — сказала исследователь Лондонского университетского колледжа Паула Келемейер. Ученые постоянно пытаются придумать новые способы косвенного взгляда на Землю.

К счастью, технологические достижения в области обнаружения крошечных колебаний на Земле, а также усилия по оснащению большего количества мест инструментами продвигали поле вперед. Несколько недавних исследований в области передовых технологий привносят новые идеи в таблицу.

Незнание плотности сгустка оставляет много «дверей открытыми».

Большая часть тайны капель зависит от того, как точно определить, из чего они сделаны. Большинство сейсмических показаний не могут определить плотность материала, потому что изменения скорости волны зависят от множества факторов, таких как состав породы. Не знание плотности оставляет многие «двери открытыми», сказал физик-минерал Дэн Шим из Университета штата Аризона.

Шим стал свидетелем дебатов о материале блобов с тех пор, как он был аспирантом в 1990-х годах. «Я наблюдал всю эту полемику на протяжении всей своей карьеры», — сказал он. Исследователи спорили взад и вперед о том, состоят ли массы из густых груд химически уникальных камней или струй надувных лавовых ламп, которые направляются к корке выше.

Исследователи предполагают, что капли могут питать горячие точки вулканов, которые образуют цепочки океанских островов, такие как Гавайи. И другие ученые задаются вопросом, могли ли сгустки питать супервулканы в прошлом, потенциально способствуя крупнейшим событиям исчезновения Земли. Но Шим сказал, что пока плотность капель не будет понятна, «мы не можем перейти к следующему уровню вопросов».

Вулкан Килауэа на Большом острове на Гавайях происходит из вулканического очага, который, как считают ученые, может быть связан с каплями.

Два недавних исследования, которые нашли способ измерения плотности без традиционных сейсмических методов, предлагают более сложную картину, чем раньше.

Когда Солнце и Луна притягиваются к Земле, вся планета изгибается и растягивается. Дважды в день земная кора поднимается и опускается вместе с приливами. Хотя мы больше знакомы с приливами океана, на твердой Земле действуют те же силы, что и в наших океанах. Когда Солнце и Луна притягиваются к Земле, вся планета изгибается и растягивается. В некоторых местах поверхность Земли поднимается и опускается на целых 40 сантиметров.

Ученые могут отслеживать это движение, используя высокочувствительные измерения GPS. Группа исследователей во главе с Лингуо Юанем из Academia Sinica в Тайване проанализировала измерения, сделанные GPS-станциями по всему миру в течение 16 лет, и обнаружила, что прилив Земли оказался не таким, как они ожидали: казалось, что он находился вдали от места, где были пятна. расположен. Приливы, которые они написали в своей статье 2013 года, «дают важную информацию о глубине твердой Земли».

Харриет Лау, исследователь докторской диссертации в Гарвардском университете, узнала о работе Юаня и увидела возможность использования глобального набора данных. «Так получилось, что приливы тела или приливы твердой Земли очень чувствительны к структуре плотности», — сказала она. Эти приливы могут восполнить пробел в знаниях, который не могут пройти бегущие волны, используемые в сейсмической томографии.

Лау создал десятки моделей, чтобы объяснить перекос земных приливов и сравнил их с данными Юаня. Она обнаружила, что модели, которые соответствуют данным реального мира, лучше всего были с каплями, более плотными, чем окружающая мантия. Эти результаты, опубликованные в журнале Nature в 2017 году, утверждают, что сгустки имеют своего рода «композиционные различия», чем остальная часть мантии.

Между тем, другое исследование показало противоположность тому, что обнаружило исследование Лау.

Паула Коулмейер начала изучать колебания нормального режима в аспирантуре в 2008 году. «В то время их использовали не так много людей», — сказала она, несмотря на то, что они являются «очень мощным способом мышления о Земле». Нормальные способы раскрыть детали, которые отсутствуют в более традиционных сейсмических методах, но которые «трудно развить интуицию», сказала она.

Многие сейсмологи анализируют волны, выходящие из Земли, но не все волны действуют одинаково. Изображения, которые отображают внутреннее пространство Земли, используют так называемые объемные волны. Подобно звуковым волнам, которые проходят через атмосферу от чьего-то рта к уху другого человека через комнату, эти волны распространяются по Земле от одного места к другому.

Но есть определенные виды волн, которые путешествуют не так сильно, как вибрируют. Этот тип волны называется стоячей волной, и это тип, который содрогает струну скрипки. «Когда вы думаете о стоячей волне, вы смотрите на все резонирующее одновременно», — сказал Коулмейер. «Как будто это удар колокола, и он вибрирует в целом». Землетрясения вызывают оба типа волн, и сейсмометры обнаруживают их на поверхности.

В недавнем исследовании Коулмейер выбрала тип нормальных мод, называемых модами Стоунли, которые вибрируют в зависимости от плотности капель. Ее команда проанализировала записи о движении грунта в дни после землетрясений большой силы в поисках низкочастотных колебаний стоячих волн. Сравнивая свои результаты с моделями, они обнаружили, что капли должны быть менее плотными, чем окружающая мантия, чтобы объяснить несколько ограничений, таких как форма ядра.

«На самом деле я не беспокоюсь об этом кажущемся противоречии.

Когда спрошено, как эти два исследования согласуются, исследователи предположили, что оба документа могли быть правильными».

«Один из способов, возможно, примирить Харриет Лау и мою работу, состоит в том, что этот плотный материал не распространяется на очень большой диапазон глубины», — пояснил Коулмейер. Возможно, капли самые плотные в полоске рядом с ядром, деталь, которую Коулмейер не мог исключить из своего анализа. Лау повторил это предложение. «Я на самом деле не беспокоюсь об этом кажущемся противоречии», — сказала она. Результаты просто помогают им «отрегулировать» свои выводы, сказала она.

Капли получили свое прозвище отчасти из-за их мягкой, комковатой формы на картах сейсмической томографии. Но что, если их структура была на самом деле более деликатной?

Когда в 2002 году жена сейсмолога Эд Гарнеро была беременна двойней, он вспоминает, как сходил к врачу на УЗИ. Несмотря на новую технологию трехмерной визуализации, он сказал, что изображения с низким разрешением на экране неутешительны. «Похоже, мозги уплыли в сторону. Это было действительно странно», — сказал он.

В сейсмической томографии исследователи сталкиваются с аналогичными проблемами. Капли получили свое прозвище отчасти из-за их мягкой, комковатой формы на картах сейсмической томографии. Но что, если их структура была на самом деле более деликатной? И может ли знание формы капель лучше помочь исследователям ограничить их плотность?

Maria Tsekhmistrenko. фото. ее проект

В декабре прошлого года докторант Мария Цехмистренко из Оксфордского университета представила некоторые из наиболее показательных изображений сооружений на сегодняшний день. На одном из заседаний на осеннем собрании AGU’s Fall Meeting Цехмистренко показала свои карты сейсмической томографии, на которых показано, что около половины капли находится под Африкой. Изображения получены из обширного проекта сейсмометра, который установил датчики на дне океана вокруг Мадагаскара.

Используя набор различных типов волн, Цехмистренко обнаружила неровные и угловатые стороны капли и ее плюмов над ним, показывая очень мало мягкости, предложенной более ранними томографическими картами. В совокупности вся структура выглядит как дерево, которое разветвляется до вулканов горячих точек на поверхности, говорит сотрудник Цехмистренко Карин Сиглох.

Изображение сейсмической томографии от Марии Цехмистренко

Сейсмико-томографическое изображение части африканского сгустка и выходящих из него мантийных плюмов (слева). Капля, называемая LLSVP, находится у основания мантии, и области скорости медленной волны над каплей могут указывать на плюмы или апвеллинг. Упрощенное изображение структур показано справа. Предоставлено: Мария Цехмистренко

Сначала Цехмистренко сказал, что они не верят тому, что видели. «Мы обеспокоены тем, что что-то не так с моими данными», — сказала она. Затем она поняла, что они были правы, хотя «это выглядит иначе, чем ожидалось».

«Very 3D», добавила она.

Гарнеро, увидевший эту презентацию, сказал, что это «лучшая презентация внутренних изображений Земли, которую я видел в AGU». Он добавил, что ученые, изучающие движение внутренней Земли, называемые геодинамиками, могут быть взволнованы, чтобы получить в свои руки изображения полученные Цехмистренко.

«Наклон этой структуры оказывается чрезвычайно важным для ограничения ее плотности», — сказал он. «Это действительно важно для динамиков». Цехмистренко уже слышал от одного геодинамика, планирующего моделировать структуры в будущей модели.

Схема мантийных шлейфов

Выдвигаемые учеными идеи о том, как могут выглядеть мантийные шлейфы, приведены в нескольких примерах из литературы (Morgan, 1971, https://doi.org/10.1038/230042a0; Foulger et al., 2000, https://doi.org/ 10.1046 / j.1365-246x.2000.00245.x; Torsvik et al., 2010, https://doi.org/10.1038/nature09216; French and Romanowicz, 2015, https://doi.org/10.1038/nature14876). Предоставлено: Мария Цехмистренко

Несмотря на критический прогресс в сейсмологии, стремление понять капли является «по сути своей междисциплинарной проблемой», — сказал геолог Вед Лекич из Университета Мэриленда.

Например, физики-минералы измеряют, как волны проходят сквозь камни под необычайным давлением, чтобы улучшить сейсмологические модели. Геохимики прочесывают Землю, чтобы собрать камни из вулканов, в поисках улик уникальных химических резервуаров, которые могут быть связаны с каплями. И разработчики моделей создают сложные сети кода, чтобы развернуть историю мантии в течение миллиардов лет, симулируя, как капли образовались.

Каким бы ни был ответ, вглядывание в земную кору может дать исследователям возможность задуматься о наших самых ранних начинаниях. «Эти вопросы в некотором роде очень романтичны», — сказала Гарриет Лау. «Меня так вдохновляют вопросы, которые лежат в основе существования и вселенной».

Земля — единственная планета, известная как содержащая тектонику плит, и недавние исследования показали, что тектоника может помочь поддерживать жизнь, доставляя устойчивый поток питательных веществ, таких как азот и фосфор, на поверхность. И все же исследователи не уверены, что вызывает тектоническое движение плит, не говоря уже о каплях.

«Мы буквально не знаем, кто они, откуда они родом, как долго они здесь или что они делают».

«Я думаю, что их настоящая фундаментальная и философская привлекательность — их тайна», — сказал Лекич. «Они являются одними из самых больших вещей на Земле, и тем не менее мы буквально не знаем, кто они, откуда они родом, как долго они здесь или что они делают».

В конечном счете, путь к раскрытию тайн может быть долгим, сказал Гарнеро. «Это открытие в замедленном темпе, это дело сообщества», — сказал Гарнеро, который работал над каплями в течение последних 15 лет.

Лау, которая планирует изучать капли, когда она начнет свою профессорскую работу в Калифорнийском университете в Беркли, позже в этом году, сказала, что эта тайна не пугает. «Я считаю, что наука носит поэтапный характер, и поэтому, например, результаты Паулы Коулмейер не особенно меня смущают», — сказала она. «Я был на самом деле более взволнован, чем все остальное».

специально для Пикабу перевел FlorianGeyer

PS баянометр предлагал какую-то дичь

Источник