Нове дослідження Утрехтського університету, опубліковане в журналі Nature, показує, що ці регіони не тільки гарячіші, ніж навколишній цвинтар холодних затонулих тектонічних плит, але й що вони мають бути стародавніми: їм не менше пів мільярда років, можливо, навіть більше. Ці спостереження суперечать ідеї добре перемішаної та швидкоплинної мантії Землі, теорії, яка дедалі більше піддається сумніву. "У мантії Землі менше потоку, ніж заведено вважати".
Великі землетруси змушують всю Землю дзвеніти, як дзвін із різними тонами, як музичний інструмент. Сейсмологи вивчають глибини Землі, досліджуючи, наскільки ці тони «розстроєні», тому що коливання всієї Землі звучатимуть розладнаними або менш гучними, коли вони стикаються з аномаліями. Таким чином сейсмологи можуть робити знімки надр нашої планети, як лікар у лікарні може «бачити» крізь ваше тіло за допомогою рентгенівських променів.
Наприкінці минулого століття аналіз цих коливань показав існування двох підземних «суперконтинентів»: один під Африкою, а інший під Тихим океаном, обидва приховані більш ніж на дві тисячі кілометрів під поверхнею Землі. «Ніхто не знав, що це таке, і чи є вони лише тимчасовим явищем або ж вони знаходяться там вже мільйони або, можливо, навіть мільярди років», — каже Арвен Деус, сейсмолог і професор структури та складу глибоких надр Землі. «Ці два великі острови оточені цвинтарем тектонічних плит, які були переміщені туди в результаті процесу, званого "субдукція", коли одна тектонічна плита пірнає під іншу плиту і занурюється від поверхні Землі на глибину майже три тисячі кілометрів».
Повільні хвилі
«Ми вже багато років знаємо, що ці острови розташовані на кордоні між ядром Землі та мантією. І ми бачимо, що сейсмічні хвилі там уповільнюються». Тому вчені-геологи називають ці регіони «Великими областями з низькою сейсмічною швидкістю» або LLSVP.
"Хвилі сповільнюються, тому що LLSVP гарячі, так само як ви не можете бігти так само швидко в спекотну погоду, як в холодну". Деус і його колега Суджанія Талавера-Соза хотіли дізнатися, чи зможуть вони дізнатися більше про ці регіони. «Ми додали нову інформацію, так зване «загасання» сейсмічних хвиль, яке є кількістю енергії, яку хвилі втрачають при проходженні через Землю. Щоб зробити це, ми не тільки досліджували, наскільки сильно тони були розстроєними, ми також вивчали їхню гучність звуку».
Талавера-Соза додає: «Всупереч нашим очікуванням ми виявили невелике згасання в LLSVP, через що тони звучали там дуже голосно. Але ми справді виявили велике згасання у холодному цвинтарі плит, де тони звучали дуже тихо. На відміну від верхньої мантії, де ми знайшли саме те, що очікували: вона гаряча, і хвилі згасають. Так само, коли на вулиці спекотна погода і ви виходите на пробіжку, ви не тільки сповільнюєтеся, а й втомлюєтеся більше, ніж коли на вулиці холодно».
Розмір зерна
Їхня колега Лора Кобден, яка спеціалізується на мінералах, які ми знаходимо глибоко в Землі, запропонувала вивчити розмір зерна LLSVP. За словами їхнього американського колеги Ульріха Фаула, температура сама по собі не може пояснити відсутність високого загасання в LLSVP. Деус: «Розмір зерна набагато важливіший. Субдукуючі тектонічні плити, що опиняються в кладовищі плит, складаються з дрібних зерен, тому що вони перекристалізовуються на своєму шляху вглиб Землі. Невеликий розмір зерна означає більшу кількість зерен і, отже, більше кордонів між зернами. Через велику кількість кордонів між зернами в кладовищі плит ми виявляємо більше загасання, тому що хвилі втрачають енергію на кожному кордоні, який вони перетинають. Той факт, що LLSVP показують дуже мале згасання, означає, що вони повинні складатися з набагато більших зерен».
Стародавні
Ці мінеральні зерна не ростуть за одну ніч, що може означати тільки одне: LLSVP набагато старше навколишніх кладовищ плит. Щобільше: LLSVP, з їх набагато більшими будівельними блоками, дуже жорсткі. Тому вони не беруть участі у конвекції мантії (потоку в мантії Землі). Таким чином, попри те, чого нас вчать книги з географії, мантія також не може бути добре перемішана. Талавера-Соза пояснює: "Зрештою, LLSVP повинні бути здатні виживати в конвекції мантії так чи інакше".
Двигун
Знання мантії Землі необхідне для розуміння еволюції нашої планети. "А також для розуміння інших явищ на поверхні Землі, таких як вулканізм і гороутворення", - додає Деус. «Мантія Землі — це двигун, який рухає всі ці явища. Візьмемо, наприклад, мантійні плюми, які є великими бульбашками гарячого матеріалу, які підіймаються з глибоких надр Землі, як в лавовій лампі». Коли вони нарешті сягають поверхні, вони викликають вулканізм, як під Гаваями. І ми думаємо, що ці мантійні плюми виникають на краях LLSVP.
Великі землетруси
У цьому типі досліджень сейсмологи добре використовують коливання, спричинені справді великими землетрусами, переважно землетрусами, що відбуваються на великій глибині, такими як великий землетрус у Болівії 1994 року. «Воно так і не потрапило до газет, бо сталося на великій глибині 650 км і, на щастя, не призвело до якихось руйнувань чи жертв на поверхні Землі», — пояснює Деус.
Усі коливання Землі, чи тони, математично описуються в такий спосіб, що ми можемо легко «прочитати» згасання (т. е. наскільки голосно коливання) внаслідок проходження через певні структури й відокремити його від швидкості хвилі (наскільки воно розладнане). «Що вражає, тому що загасання сигналу становить лише одну десяту від загального обсягу інформації, яку ми можемо витягти з цих коливань».
Для такого роду досліджень не обов'язково чекати, поки станеться ще один землетрус. Дані про попередні землетруси так само корисні. «Ми можемо повернутися до 1975 року, тому що з того року сейсмометри стали досить хорошими, щоб давати нам дані такої високої якості, що вони корисні для наших досліджень».
