Горы внутри
Как ученые обнаружили горный рельеф на границе слоев мантии Земли
Землетрясения не только причиняют людям ущерб, но и позволяют больше узнать о внутреннем строении Земли. Сейсмические волны — мощный инструмент, с помощью которого ученые восстанавливают рельеф слоев, из которых состоит наша планета, — верхней и нижней мантии, внешнего и внутреннего ядра. Недавно группа сейсмологов из США и Китая смогла зафиксировать особенности верхней и нижней границ переходного слоя мантии.
Перепад высот поверхности Земли (от вершины Эвереста до дна Марианской впадины) составляет около 20 километров, то есть граница между двумя внешними оболочками Земли — земной корой и атмосферой — обладает ярко выраженным рельефом. Что касается внутренних оболочек нашей планеты (верхняя мантия, нижняя мантия, внешнее ядро и внутреннее ядро), то их границы, в отличие от поверхности Земли, на всех схематических разрезах обычно рисуют в виде ровных концентрических окружностей (рис. 1). На самом деле это не так. Каждая из границ раздела между внутренними оболочками также имеет свой рельеф. И современные технические методы позволяют закартировать детали этого рельефа.
Рис. 1. Общая структура внешних и внутренних оболочек Земли. Wikipedia.org/Jeremy Kemp
Любой сейсмический импульс «запускает» одновременно оба типа волн — и продольные, и поперечные, которые по-разному преломляются (или отражаются) на границах сред с разной плотностью. Если Р-волны проходят через любые материалы, то S-волны, которые еще называют сдвиговыми волнами (так как они являются деформациями сдвига), распространяются только в твердых телах, поскольку модуль сдвига в жидкостях и газах равен нулю. На каждой из внутренних границ происходит резкая смена физических (реологических) свойств (рис. 2).
Рис. 2. Скорости распространения продольных (синий) и поперечных (красный) сейсмических волн в глубинных оболочках Земли. popovgeo.sfedu.ru
Наружный слой Земли — земная кора, представляет собой твердую оболочку. От более пластичной верхней мантии она отделена границей с резким увеличением скоростей продольных сейсмических волн — так называемой поверхностью Мохоровичича. Нижняя мантия при этом более твердая, чем верхняя. Внешнее ядро, в котором поперечные сейсмические волны не распространяются, считается жидким, а внутреннее — твердое, но обладает определенной пластичностью. Это недавно доказали австралийские геофизики.
Поверхность Мохоровичича прослеживается по всему земному шару на глубине от 5 до 70 километров. То есть граница между земной корой и верхней мантией имеет не менее, а даже более выраженный рельеф, чем поверхность Земли. Детальный анализ сейсмических данных показал, что амплитуда «высот» поверхности верхней мантии достигает 40 километров. Примерно такая же амплитуда «рельефа» характерна и для поверхности нижней мантии (рис. 3).
Рис. 3. Топография слоистых оболочек Земли: земной коры (Crust), верхней мантии (Upper mantle) и нижней мантии (Lower mantle) (не в масштабе). Атмосфера показана светло-голубым, океан — темно-голубым, земная кора — серым, верхняя мантия — оливковым, нижняя мантия — темно-зеленым. A — верхняя граница земной коры в районе Гималаев; В — верхняя и нижняя границы земной коры в районе Марианской впадины; С — перепад глубин залегания верхней границы верхней мантии — до 40 километров; D — перепад глубин залегания верхней границы нижней мантии — до 40 километров. Science
Кроме перечисленных главных внутренних оболочек Земли (земная кора, верхняя мантия, нижняя мантия, внешнее ядро, внутреннее ядро), есть еще одна зона, которую выделяют по характеру прохождения сейсмических волн, — так называемая переходная зона мантии, расположенная в интервале глубин 410–670 километров от поверхности (рис. 2).
Зафиксировать особенности рельефа верхней границы переходного слоя мантии, расположенной на глубине примерно 410 километров, до последнего времени не удавалось. Кроме того, не было до конца понятно, насколько надежно фиксируются элементы топографии поверхности раздела верхней и нижней мантии и не являются ли они просто отражением погрешности интерпретации результатов сейсмических наблюдений.
Для того чтобы ответить на эти вопросы, группа ученых из Китая и США провела специальное исследование. Анализируя результаты сейсмологических наблюдений многочисленных сейсмических станций, полученные по одним и тем же событиям (землетрясение в Боливии 1994 года магнитудой 8,2; землетрясения в Охотском море 2008 года и 2012 года, оба магнитудой 7,3), а также архивные записи сейсмографов из Национального центра информации о землетрясениях Геологической службы США, авторы исследования показывают, что для границы между верхней и нижней мантией, расположенной на глубине около 660–670 километров, данные различных станций практически полностью совпадают. То есть эта граница обладает устойчивым рельефом, детали которого удалось успешно закартировать.
Для верхней границы переходной зоны мантии, расположенной на глубине 410 километров, такой четкой картины не наблюдается, а ее топография является более сглаженной и обладает неустойчивым «рельефом». Отсюда авторы исследования делают вывод о том, что более четкая граница между верхней и нижней мантией является не только границей фазового перехода, но и границей двух областей с различным химическим составом, а граница, расположенная на глубине 410 километров, — только границей фазового перехода, что подтверждается и экспериментальными исследованиями.
На этой глубине температура составляет около 1800 кельвинов, а давление — около 22 гигапаскалей. При таких условиях происходит фазовый переход оливина (α-Mg2SiO4), составляющего около 60 процентов объема верхней мантии, в его высокобарную модификацию — вадслеит (β-Mg2SiO4). А второй по распространенности (40 процентов объема верхней мантии) минерал — пироксен — переходит в гранатовую фазу. Именно эти минералы, видимо, и слагают переходную зону мантии.
На границе же в 660 километров (температура 1900 кельвинов, давление 26 гигапаскалей) оливин и гранат сменяются плотными оксидами кальция, магния и титана типа перовскита, то есть совершенно другой по составу минеральной фазой, в 30 раз более вязкой, чем верхняя мантия.
Детальная обработка сигналов боливийского землетрясения позволила буквально создать «топографическую карту» поверхности нижней мантии для целого региона в Юго-Восточной Азии (рис. 4).
Рис. 4. Зона в Юго-Восточной Азии (серым), для которой по результатам интерпретации сейсмических наблюдений после землетрясения в Боливии (эпицентр отмечен красной звездочкой) удалось построить «топографическую карту» поверхности нижней мантии. Science
Методологически это выглядело следующими образом. Сейсмические волны, встречая на своем пути границу раздела фаз, частично отражаются от этой границы. Продольные сейсмические волны, созданные боливийским землетрясением, прошедшие через мантию и внешнее ядро, частично отражались от поверхностей раздела, расположенных на глубинах 410 и 660 километров под Юго-Восточной Азией, и возвращались обратно, где улавливались сейсмографами на станциях, расположенных вблизи эпицентра землетрясения (рис. 5).
Рис. 5. Схема расположения сейсмических станций (зеленые треугольники) вблизи эпицентра боливийского землетрясения (красная звездочка). Science
По разнице во времени прихода волн можно определить расстояние до изучаемой поверхности (в данном случае, до границы 660 километров). Если граница отражения является плоской, все отраженные волны будут возвращаться через одно и то же время. Если же волны будут встречать на своем пути неровности отражающей поверхности, они будут возвращаться с временным отклонением. Чем больше неровности поверхности, тем больше будет временное отклонение отражающейся от нее волны. Естественно, в исследовании рассматривались только продольные волны (Р-волны), так как только эти волны проходят через ядро Земли.
Владислав Стрекопытов