Субдуцирующие плиты земной коры могут создавать необычные структуры, обнаруженные у ядра

На глубине около 1800 миль под поверхностью Земли, у основания мантии прямо над ядром, находятся крупные аномальные структуры. Мантия — это толстый слой горячей, преимущественно пластичной породы, окружающий ядро; сверху её покрывает тонкая оболочка земной коры. В геологических масштабах времени мантия ведёт себя как вязкая жидкость, в которой твёрдые элементы погружаются и поднимаются.

Эти аномальные структуры, известные как зоны сверхнизких скоростей (ULVZ), были впервые обнаружены в 1995 году Доном Хелмбергером из Калифорнийского технологического института (Caltech). Их изучают, измеряя, как они изменяют проходящие через них сейсмические волны. Однако наблюдение не обязательно означает понимание. Действительно, до сих пор не было точно известно, что они собой представляют.

Название ULVZ связано с тем, что они значительно замедляют скорость сейсмических волн; например, скорость поперечных волн в них может снижаться до 30%. Эти зоны имеют толщину в несколько миль и могут достигать сотен миль в поперечнике. Несколько таких структур разбросаны у ядра Земли под районом Тихоокеанского огненного кольца, другие сгруппированы под Северной Америкой, Европой и Африкой.

Учёные из Caltech утверждают, что теперь знают не только из чего состоят ULVZ, но и как они образуются. Используя экспериментальные методы при высоких давлениях, исследователи под руководством профессора минеральной физики Дженнифер Джексон обнаружили, что ULVZ состоят из фрагментов минерала магнезиовюстита (оксида магния/железа). Согласно их выводам, эти фрагменты могли выпасть в осадок из магматического океана, который, как предполагается, существовал у основания мантии миллионы лет назад. Это опровергает альтернативную теорию, согласно которой ULVZ состоят из расплавленного материала, возможно, просачивающегося из ядра.

Джексон и её коллеги нашли доказательства в пользу теории магнезиовюстита, изучив его упругую (или сейсмическую) анизотропию — изменение скорости прохождения сейсмических волн через минерал в зависимости от направления. Область на границе ядра и мантии, где находятся ULVZ, как раз отличается сильной неоднородностью и анизотропией. Ранее анизотропию объясняли прохождением волн через плотный силикатный материал. Новое исследование предполагает, что в некоторых регионах она в значительной степени обусловлена ориентированными кристаллами магнезиовюстита внутри ULVZ.

В условиях давления и температуры у поверхности Земли магнезиовюстит проявляет слабую анизотропию. Однако команда Джексон обнаружила, что минерал становится сильно анизотропным при давлениях, сравнимых с условиями нижней мантии. Это было установлено с помощью алмазной наковальни и рентгеновских лучей. Для создания таких крупных и сильно анизотропных объектов, как ULVZ, необходимо, чтобы лишь небольшое количество кристаллов магнезиовюстита было сориентировано в одном направлении, вероятно, под действием внешнего давления. Это давление может создавать субдуцирующая плита земной коры, которая продвигается к границе ядра и мантии.

«Учёные всё ещё изучают, что происходит с корой, когда она погружается в мантию, — говорит Джексон. — Одна из возможностей, которую теперь, кажется, подтверждают наши исследования, заключается в том, что эти плиты опускаются до самой границы ядра и мантии и способствуют формированию ULVZ».