В недрах Земли на глубине 660 километров обнаружены гигантские горы.
Из школьных учебников мы знаем, что Земля имеет три (или четыре) слоя: кору, мантию и ядро, иногда подразделяемое на внутреннее и внешнее. Это не совсем так, поскольку исключает некоторые другие слои, которые ученые выделяют в строении нашей планеты. В исследовании, опубликованном в журнале Science, геофизики из Принстонского университета (США) и Института геодезии и геофизики в Китае сообщают о горах и другой топографии на слое, расположенном на глубине 660 километров и разделяющем верхнюю и нижнюю мантию.
«Обнаружить перепады высот до трех километров на границе более 660 километров, используя волны, которые проходят через всю Землю и обратно – вдохновляющий подвиг», – считает сейсмолог Кристина Хаузер, доцент Токийского технологического института (Япония), не принимавшая участие в исследовании.
Чтобы заглянуть вглубь Земли, ученые используют самые мощные волны на планете, которые генерируются землетрясениями. Глубокие сильные землетрясения могут привести в действие всю мантию, а землетрясения с магнитудой от 7,0 распространяют ударные волны через ядро на другую сторону планеты и обратно.
В рамках данного исследования ученые обратились к ключевым данным о волнах, обнаруженных после землетрясения магнитудой 8,2 – второго по мощности за всю историю наблюдений, которое потрясло Боливию в 1994 году.
Для моделирования сложного поведения рассеивания волн в глубинах Земли сейсмологи использовали суперкомпьютерный кластер Принстонского университета «Tiger». Технология симуляции зависит от фундаментального свойства волн: их способности менять направление и отскакивать. Так же, как световые волны могут отражаться или преломляться при прохождении через призму, сейсмические волны проходят прямо через однородные породы, но отражаются или преломляются на границе сред. Таким образом, их рассеивание несет информацию о неровностях поверхности и глубинных слоях.
«Полученные результаты нас сильно удивили. На 660-километровой границе присутствует более сильная топография, чем в Скалистых горах или Аппалачах, и она столь же сложная, как и та, что мы наблюдаем на поверхности», – пишут авторы исследования.
Вид на Скалистые горы из национального парка США Роки Маунтин. Credit: Станислав Савин
Статистическая модель не позволила точно определить высоту обнаруженных в недрах гор, но стало ясно, что неровности распределены неравномерно, подобно тому, как поверхность земной коры имеет гладкие участки океанического дна и высокие горы. Исследователи также изучили слой на глубине 410 километров, в верхней части «переходной зоны» мантии, и не обнаружили подобного топографического разброса.
Достигнутые результаты показывают, насколько усовершенствовались сейсмические инструменты, позволяющие обнаруживать новые неожиданные свойства земных слоев.
Что это означает
Наличие неровностей на границе 660 километров имеет существенное значение для понимания того, как формировалась наша планета. Исследованный слой делит мантию, которая составляет около 84 процентов объема Земли, на ее верхнюю и нижнюю части. В течение многих лет ученые-геологи обсуждали, насколько важна эта граница. В частности, они исследовали, как тепло распространяется через мантию.
Некоторые геохимические и минералогические данные свидетельствуют о химическом различии верхней и нижней мантии, это поддерживает идею, что две секции не смешиваются термически или физически. Однако полученные данные показывают, что более гладкие области на границе 660 километров могут быть результатом тщательного вертикального перемешивания, в то время как гористые области могли образоваться там, где смешение не происходит.
Кроме того, обнаруженные неровности теоретически могут быть вызваны тепловыми аномалиями или химическими неоднородностями. Но из-за перераспределения тепла в мантии любая мелкая тепловая аномалия будет сглажена в течение миллиона лет, оставляя только химические различия.
Так что же могло вызвать значительную разницу в химии слоев? Ученые заявляют, что причина тому – погружение пород, которые раньше принадлежали земной коре. Геофизики долго обсуждали судьбу плит морского дна, которые врезаются в мантию в зонах субдукции по всему миру. Исследователи предполагают, что остатки этих древних плит теперь могут быть чуть выше или чуть ниже границы в 660 километров.
«Сейсмология становится захватывающей, когда позволяет лучше понять внутреннее устройство нашей планеты как в пространстве, так и во времени», – заключают авторы исследования.