Зображення з високою роздільною здатністю розкривають загадкові риси глибоко під землею

Нове дослідження під керівництвом Кембриджського університету є першим, щоб отримати детальне «зображення» незвичайної породи в прикордонному шарі з ядром Землі, приблизно в трьох тисячах кілометрів під поверхнею.

Таємнича область скелі, розташована майже безпосередньо під Гавайськими островами, є однією з кількох областей дуже низької швидкості – так називається тому, що хвилі землетрусу сповільнюються до повзання, коли вони проходять через них.

Дослідження, опубліковане в журналі 19 травня 2022 року Природні комунікаціїє першим, хто детально розкриває складну внутрішню асиметрію одного з цих анклавів, проливаючи світло на глибинні внутрішні ландшафти Землі та процеси, що відбуваються в них.

“З усіх глибинних внутрішніх особливостей Землі це найбільш захоплююче і складне. Зараз ми отримали перші надійні докази, що показують її внутрішню структуру – це справжня віхха в глибинній сейсмології”, – сказав провідний автор Чжи Лі, аспірант. у Департаменті наук про Землю в Кембриджі. земля».

Внутрішня частина Землі утворена подібно до цибулі: в центрі знаходиться залізо-нікелеве ядро, оточене товстим шаром, відомим як мантія, а над ним тонка зовнішня кора – кора, на якій ми живемо. Хоча мантія є твердою гірською породою, вона досить гаряча, що тече дуже повільно. Внутрішні конвекційні потоки подають тепло на поверхню, викликаючи рух тектонічних плит і підживлюючи виверження вулканів.

Вчені використовують сейсмічні хвилі від землетрусів, щоб «побачити» те, що знаходиться під поверхнею Землі — відлуння та тіні цих хвиль показують, як радар, зображення глибини. Але донедавна «зображення» структур на кордоні ядро-мантія, області, яка представляла основний інтерес для вивчення внутрішнього теплового потоку нашої планети, були зернистими і їх важко інтерпретувати.

Події та траєкторії променів Sdiff, використані в цьому дослідженні. a) Поперечний розріз, що перетинає центр області наднизьких швидкостей на Гаваях, показуючи траєкторії променів для хвиль Sdiff під кутами 96°, 100°, 110° і 120° для моделі Землі 1D PREM. Пунктирні лінії зверху вниз позначають розриви 410 км, 660 км і 2791 км (100 км над межею ядро-мантія). b) Події та траєкторії Sdiff-променів на моделі фонової томографії SEMUCB_WM1 на глибині 2791 км. Пляжні м’ячі для заходів пофарбовані в різні кольори, включаючи 20100,320 (жовтий), 20111214 (зелений), 20120417 (червоний), 20180910 (фіолетовий), 20180518 (коричневий), 20181030 (рожевий), 2016111 (201611) , і промені. Траєкторії хвиль Sdiff на глибині отвору 2791 км у нижній мантії, використані в цьому дослідженні. Подія, використана в аналізі короткого періоду, виділена жовтим кольором. Пропоноване розташування ULVZ показано чорним колом. Пунктирною лінією показано поперечний переріз, намальований у A. Авторство: Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5

Дослідники використовували найсучасніші методи чисельного моделювання для виявлення структур кілометрового масштабу на кордоні ядро-мантія. За словами співавтора доктора Куандай Ленг, який розробив методи під час ст[{” 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