КТ-сканирование Земли связывает глубинные мантийные плюмы с вулканическими горячими точками

Сейсмологи из Калифорнийского университета в Беркли впервые получили четкое трехмерное изображение недр Земли, которое однозначно связывает струи горячей породы (плюмы), поднимающиеся через мантию, с поверхностными горячими точками, формирующими вулканические островные цепи, такие как Гавайи, Самоа и Исландия.

Это изображение, по сути являющееся компьютерной томографией (КТ) внутренностей Земли, было получено в результате суперкомпьютерного моделирования в Национальном научно-исследовательском вычислительном центре энергетики (NERSC) Министерства энергетики США в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Ученые картировали мантийные плюмы, анализируя пути сейсмических волн от 273 сильных землетрясений за последние 20 лет.

Новая высокодетальная карта мантии не только показывает эти связи для многих горячих точек планеты, но и выявляет, что ниже примерно 1000 км плюмы имеют ширину от 600 до 1000 км, что до пяти раз шире, чем предполагали геофизики. Плюмы, вероятно, как минимум на 400 °C горячее окружающей породы.

«Эти отчетливые столбообразные структуры, непрерывные от самого низа мантии до её верхней части, раньше никто не видел», — отметил ведущий автор Скотт Френч. Старший автор исследования, профессор Барбара Романович, уточнила, что связь между глубинными плюмами и вулканами не всегда прямая, так как в верхней мантии вершины плюмов растекаются.

Новая картина также показывает, что основания этих плюмов закреплены на границе ядро-мантия в двух огромных скоплениях горячей породы диаметром около 5000 км каждое, которые, вероятно, плотнее окружающей породы. По оценке Романович, эти «якоря», расположенные прямо противоположно друг другу под Африкой и Тихим океаном, находятся на одном месте уже 250 миллионов лет.

Исследование, опубликованное в журнале Nature, поддерживает модели, согласно которым материал плюма представляет собой смесь нормальной мантийной породы и более плотной первичной породы из этих глубинных скоплений. Это объясняет известные химические и изотопные отличия лавы горячих точек от лавы других вулканов.

Анализ не обнаружил плюмов под всеми горячими точками, например, под Йеллоустоном. Возможно, питающие их плюмы слишком тонкие для обнаружения текущими методами. Для создания высокодетальной КТ Земли Френч использовал точные численные модели распространения сейсмических волн и сравнивал их с реальными данными. Окончательные вычисления потребовали 3 миллиона часов процессорного времени на суперкомпьютерах NERSC.