Ученые раскрыли эволюционную историю континентальных регионов в глубинной мантии

Новое исследование показало, что два континентальных региона в глубинной мантии Земли имеют различную историю и, как следствие, химический состав, что противоречит распространенному предположению об их одинаковой природе. Результаты опубликованы в журнале Scientific Reports. Исследование провели ученые из Кардиффского университета, Оксфордского университета, Бристольского университета и Мичиганского университета.

Сейсмологам давно известно, что сейсмические волны от землетрясений распространяются в недрах Земли с разной скоростью. Это позволило визуализировать внутреннее строение планеты с помощью методов, подобных компьютерной томографии. В глубине мантии, под Тихим океаном и Африканским континентом, существуют обширные области, где волны движутся значительно медленнее. Эти «Крупные Провинции с Низкой Скоростью» (LLVPs) по размеру превосходят континенты, достигая 900 км в высоту и тысячи километров в ширину.

Одна из гипотез предполагает, что LLVPs состоят из океанической коры, погрузившейся в мантию в зонах субдукции. Ранее считалось, что обе провинции схожи по составу и возрасту, поскольку сейсмические волны проходят через них сходным образом. Однако новое моделирование формирования LLVPs во времени опровергает эту точку зрения.

Объединив модель конвекции в мантии с реконструкцией движения тектонических плит за последний миллиард лет, исследователи установили, что африканская LLVP состоит из более старого и лучше перемешанного материала, чем тихоокеанская. В свою очередь, тихоокеанская LLVP содержит на 50% больше более молодой субдуцированной океанической коры, что делает её более отличной от окружающей мантии. Различия в плотности могут объяснять, почему африканская провинция более диффузная и высокая.

«Поскольку численное моделирование не идеально, мы провели множество расчётов с разными параметрами. Каждый раз мы обнаруживали, что тихоокеанская LLVP обогащена субдуцированной корой, что говорит о ведущей роли недавней истории субдукции Земли», — отмечает ведущий автор работы доктор Джеймс Пантон (Кардиффский университет).

Модели также показывают, что тихоокеанская LLVP постоянно пополняется свежим материалом океанической коры в течение последних 300 миллионов лет благодаря окружению «Тихоокеанским вулканическим огненным кольцом» — поясом зон субдукции. В отличие от неё, африканская провинция не получает нового материала с такой скоростью, и её вещество лучше перемешано с мантией, что снижает плотность.

До сих пор эти различия упускались из виду, поскольку температура — главный фактор, влияющий на скорость сейсмических волн. Модели демонстрируют, что обе LLVPs имеют одинаковую температуру, что объясняет их сейсмическое сходство. Это подчеркивает важность междисциплинарных исследований для понимания внутренних процессов планеты.

Высокая температура LLVPs и их расположение в глубинной мантии по обе стороны от ядра влияют на то, как тепло отводится от земного ядра. Это воздействует на конвекцию во внешнем ядре — процесс, который генерирует магнитное поле, защищающее поверхность от вредного космического излучения. Если африканская и тихоокеанская LLVPs различны, тепло может отводиться асимметрично, что потенциально способно привести к нестабильности магнитного поля.

Теперь ученым необходимо учитывать эту асимметрию плотности мантии в моделях глубин Земли. Это представляет сложность для наблюдений, поскольку данные часто указывают лишь на симметричные структуры. Для проверки гипотезы потребуются новые данные, например, наблюдения за гравитационным полем Земли.