Ученые из Государственного университета Аризоны разработали новую модель внутренних оболочек Земли. Она выстраивает все современные гипотезы в логичную цепочку, проясняющую движение мантии. "За последние два-три года в журнале Science и Nature публиковалось много материалов о веществе глубинных зон. Однако все эти работы создают сплошную кашу в голове, так как противоречат одна другой", говорит Эд Гарнеро, сейсмолог и доцент Колледжа исследований Земли и космоса при Университете Аризоны (ASU).
"Мы пришли к выводу, что есть одна универсальная схема, упорядочивающая все недавние открытия", продолжает ученый. Гарнеро вместе с геодинамистом и доцентом Алленом Мак-Намарой из Колледжа гуманитарных и точных наук при ASU интегрировали и синтезировали всю имеющуюся на эту тему информацию и опубликовали ее в майском журнале Science. "Мы поставили перед собой задачу проанализировать новейшие сейсмологические и динамичные результаты, чтобы проверить их состоятельность. Если поискать в Google, можно найти около 20 различных версий о том, что такое мантия", объясняет Мак-Намара. По мнению ученых, исследования за последние несколько лет можно объединить в одну схему. Но какую? Сложную и чрезвычайно идиосинкратическую или все же простую?"Мы не предлагаем чего-то принципиально нового", говорит Гарнеро. "Наша модель лишь показывает, как сочетаются все эти гипотезы". Гарнеро и Мак-Намара рисуют сложный химический механизм внутреннего строения Земли в противовес популярной парадигме последних десятилетий, будто бы мантия - это однородное, хорошо перемешанное вещество. Первоначальная модель состояла из простых концентрических сфер, являющих собой ядро, мантию и земную кору. Однако все не так просто, как кажется.
Что же находится внутри
Земля состоит из нескольких слоев. Тонкая приповерхностная пленка или кора имеет протяженность 40 км. Затем примерно на 50% земного радиуса распространяется мантия. Она представляет собой толстый слой силикатной породы, покрывающей плотное железоникелевое ядро. Мантию подразделяют на верхнюю и нижнюю толщиной около 2900 км. В самом центре располагается ядро - внешнее (5150 км) и внутреннее (6400 км). Недра Земли - это вовсе не статичное хранилище геологической истории нашей планеты. Глубинные оболочки или геосферы постоянно перемешиваются и преобразуются. От того, насколько мантия изохимична (однородна) или гетерогенна (многокомпозитна) зависит, как она конвектирует, и как движутся плиты. Модель Гарнеро и Мак-Намара основана на предположении, что мантия Земли не изохимична. Гарнеро утверждает, что, согласно новым исследованиям, мантия состоит из нескольких веществ.
"Представим себе котел с кипящей водой. Его содержимое состоит из одного вещества. Теперь вольем туда кувшин меда. В водной среде мед начнет конвектировать сам по себе, создавая более сложную структуру", объясняет Мак-Намара. Согласно наблюдениям, моделированию и различным прогнозам, глубинная мантия - сложная и чрезвычайно аномальная структура по сравнению с остальной частью нижней мантии. Ученые изучают эту зону при помощи сейсмической томографии - многолучевого просвечивания Земли сейсмическими волнами. На протяжении 25 лет наблюдаются различия в скорости волн, проходящих сквозь мантию. Скачки волновых скоростей чертят так называемую "неосязаемую карту" глобальных сейсмических границ внутри мантии, где есть и горячие участки, и холодные, и многокомпозитные и т.д. Зоны с пониженными волновыми скоростями, похоже, резко переходят в зоны повышенных скоростей. Эти скачки свидетельствуют о структурных изменениях мантии.
Если мантия состоит из однородного вещества, почему тогда ученые наблюдают чрезвычайно острые разломы на стыке горячих и холодных мантийных масс? И температурные аномалии должны быть более распространенными. Резкие скачки скорости также заметны, однако какова их причина - остается загадкой. Гарнеро и Мак-Намара нашли разгадку этих явлений в термохимических суперплюмах. С обеих сторон земного шара есть два гигантских, сильно отличающихся по своим химическим свойствам, плотных суперплюма толщиной в сотни километров - один под центральной частью Тихого океана, другой - под Африканским континентом и Атлантикой. Эти суперплюмы представляют собой две низкоскоростные области, расположенные в самых низах мантии. "Вы можете представить себе суперплюмы в виде арахисового масла. Это твердые породы, которые под воздействием высоких давлений и температур становятся вязкими, как арахисовое масло, поэтому при любом напоре могут растекаться", говорит Мак-Намара.
Недавно физики-минерологи обнаружили, что под высоким давлением атомы в породах проходят через фазовое превращение, трансформируясь в более плотную конфигурацию. В термохимических суперплюмах слоистая структура совпадает с новой фазой наиболее часто встречающегося в нижней мантии минерала, называемого постперовскит, который существует в условиях высокого давления. "На глубине нескольких сот километров над ядром атомы пород резко приобретают новую структуру. С этим переходом связывают меняющиеся скоростные характеристики, которые сейсмологи наблюдают уже несколько десятилетий", говорит Гарнеро. Эти толстые суперплюмы играют ключевую роль в конвективных течениях мантии. Ультра-низкие скоростные зоны существуют ближе всего к краям суперплюмов, поскольку это самые горячие мантийные участки, которые "прошиваются" раскаленными струями, исходящими из ядра. За пределами их краев есть восходящие потоки - плюмы, которые могут проявляться на планете в виде крупных вулканических областей, как, например, Исландия, Гавайские и Галапагосские острова. "Совершенно четко прослеживаются движения тектоники плит, однако мы не поймем, чем они вызваны, пока не узнаем, как конвектирует мантия", говорит Мак-Намара. "Суперплюмы определяют конвективные циклы и циркуляцию течений. Без зарождения суперплюмов конвекция будет абсолютно иной".
