Nowe badania prowadzone przez Uniwersytet w Cambridge są pierwszymi, które wykonały szczegółowe zdjęcie niezwykłej kieszeni skalnej w warstwie granicznej z jądrem Ziemi, około trzech tysięcy kilometrów pod powierzchnią.
Zagadkowy obszar skalny, który znajduje się prawie bezpośrednio pod Wyspami Hawajskimi, jest jedną z kilku stref ultraniskiej prędkości – tak zwanych, ponieważ fale trzęsienia ziemi zwalniają, by pełzać, gdy przez nie przechodzą.
Badania, opublikowane dzisiaj w Nature Communications, jako pierwsze szczegółowo ujawniają złożoną wewnętrzną zmienność jednej z tych kieszeni, rzucając światło na krajobraz głębokiego wnętrza Ziemi i zachodzące w nim procesy.
„Ze wszystkich głębokich elementów wnętrza Ziemi te są najbardziej fascynujące i złożone. Teraz mamy pierwszy solidny dowód, który pokazuje ich wewnętrzną strukturę – to prawdziwy kamień milowy w sejsmologii głębokiej Ziemi” – powiedział główny autor Zhi Li, doktorant na Wydziale Nauk o Ziemi Cambridge.
Wnętrze Ziemi jest ułożone warstwami jak cebula: w środku znajduje się rdzeń żelazo-niklowy, otoczony grubą warstwą zwaną płaszczem, a na wierzchu cienką skorupą zewnętrzną – skorupą, na której żyjemy. Chociaż płaszcz jest litą skałą, jest wystarczająco gorący, aby płynąć bardzo wolno. Te wewnętrzne prądy konwekcyjne dostarczają ciepło do powierzchni, napędzając ruch płyt tektonicznych i napędzając erupcje wulkaniczne.
Naukowcy wykorzystują fale sejsmiczne z trzęsień ziemi, aby zobaczyć pod powierzchnią Ziemi – echa i cienie tych fal ujawniają podobne do radarów obrazy głębokiej topografii wnętrza. Jednak do niedawna obrazy struktur na granicy jądra i płaszcza, obszaru o kluczowym znaczeniu dla badania wewnętrznego przepływu ciepła naszej planety, były ziarniste i trudne do interpretacji.
Naukowcy wykorzystali najnowsze metody modelowania numerycznego, aby odkryć struktury w skali kilometrowej na granicy rdzeń-płaszcz. Według współautora, dr Kuangdai Lenga, który opracował metody na Uniwersytecie Oksfordzkim, „Naprawdę przesuwamy granice nowoczesnych obliczeń o wysokiej wydajności w symulacjach elastodynamicznych, wykorzystując niezauważone lub nieużywane wcześniej symetrie fal”. Leng, który obecnie pracuje w Radzie ds. Obiektów Naukowych i Technologicznych, powiedział, że oznacza to, że mogą poprawić rozdzielczość obrazów o rząd wielkości w porównaniu z poprzednimi pracami.
Zaobserwowali 40% zmniejszenie prędkości fal sejsmicznych przemieszczających się u podstawy strefy ultraniskiej prędkości pod Hawajami. Według autorów potwierdza to istniejące propozycje, że strefa zawiera znacznie więcej żelaza niż otaczające ją skały, co oznacza, że jest gęstsza i bardziej powolna. „Jest możliwe, że ten bogaty w żelazo materiał jest pozostałością starożytnych skał z wczesnej historii Ziemi, a nawet że żelazo może wyciekać z jądra w nieznany sposób” – powiedział kierownik projektu, dr Sanne Cottaar z Cambridge Earth Sciences.
Nowe badania mogą również pomóc naukowcom zrozumieć, co znajduje się pod spodem i powoduje powstanie łańcuchów wulkanicznych, takich jak Wyspy Hawajskie. Naukowcy zaczęli dostrzegać korelację między lokalizacją wulkanów z gorącymi punktami, do których należą Hawaje i Islandia, a strefami ultraniskiej prędkości u podstawy płaszcza. Pochodzenie wulkanów z gorącymi punktami było szeroko dyskutowane, ale najpopularniejsza teoria sugeruje, że struktury podobne do pióropuszów przenoszą gorący materiał płaszcza od granicy jądra i płaszcza na powierzchnię.
Mając teraz w ręku obrazy strefy ultraniskiej prędkości pod Hawajami, zespół może również zebrać rzadkie dowody fizyczne z tego, co prawdopodobnie jest korzeniem pióropusza zasilającego Hawaje. Ich obserwacje gęstych, bogatych w żelazo skał pod Hawajami pomogłyby w obserwacjach powierzchniowych: „Bazalty wydobywające się z Hawajów mają anomalne sygnatury izotopowe, które mogą wskazywać albo na wczesną Ziemię, albo na wycieki rdzenia, oznacza to, że część tego gęstego materiału spiętrzona podstawę trzeba wyciągnąć na powierzchnię — powiedział Cottaar.
Należy teraz zobrazować większą część granicy rdzeń-płaszcz, aby zrozumieć, czy wszystkie gorące punkty powierzchni mają u podstawy kieszenie z gęstego materiału. To, gdzie i jak można namierzyć granicę rdzeń-płaszcz, zależy od tego, gdzie występują trzęsienia ziemi i gdzie zainstalowano sejsmometry rejestrujące fale.
Obserwacje zespołu dodają coraz więcej dowodów na to, że głębokie wnętrze Ziemi jest tak samo zmienne jak jej powierzchnia. „Te strefy niskiej prędkości są jedną z najbardziej skomplikowanych cech, jakie widzimy na ekstremalnych głębokościach – jeśli rozszerzymy nasze poszukiwania, prawdopodobnie zobaczymy coraz większy poziom złożoności, zarówno strukturalnej, jak i chemicznej, na granicy rdzeń-płaszcz” – powiedział. Li.
Obecnie planują zastosować swoje techniki do poprawy rozdzielczości obrazowania innych kieszeni na granicy rdzeń-płaszcz, a także mapowania nowych stref. W końcu mają nadzieję, że zmapują krajobraz geologiczny na granicy rdzenia i płaszcza i zrozumieją jego związek z dynamiką i ewolucyjną historią naszej planety.