Naujas Kembridžo universiteto atliktas tyrimas yra pirmasis, kurio metu buvo gautas išsamus neįprastos uolienų kišenės „vaizdas“ ribiniame sluoksnyje su Žemės šerdimi, maždaug trimis tūkstančiais kilometrų žemiau paviršiaus.

Paslaptingas uolienų regionas, esantis beveik tiesiai po Havajų salomis, yra vienas iš kelių labai mažo greičio regionų – taip vadinamas, nes žemės drebėjimo bangos sulėtėja iki šliaužiojimo jas praskriejančios.

Tyrimas publikuotas žurnale 2022 m. gegužės 19 d Gamtos komunikacijospirmasis detaliai atskleidžia sudėtingą vieno iš šių anklavų vidinę asimetriją, nušviesdamas gilius Žemės vidinius peizažus ir juose vykstančius procesus.

„Iš visų gilių vidinių Žemės ypatybių tai yra labiausiai žavinga ir sudėtingiausia. Dabar gavome pirmuosius tvirtus įrodymus, rodančius jos vidinę struktūrą – tai tikras giluminės seismologijos orientyras”, – sakė pagrindinis autorius Zhi Li, doktorantas. Kembridžo Žemės mokslų katedroje. žemėje”.

Žemės vidus suformuotas kaip svogūnas: centre yra geležies-nikelio šerdis, apsupta storu sluoksniu, vadinamu mantija, o virš jo plona išorinė pluta – pluta, ant kurios mes gyvename. Nors mantija yra tvirta uola, ji pakankamai karšta, todėl teka labai lėtai. Vidinės konvekcinės srovės tiekia šilumą į paviršių, sukeldamos tektoninių plokščių judėjimą ir skatinančios ugnikalnių išsiveržimus.

Mokslininkai naudoja seismines žemės drebėjimų bangas, kad „pamatytų“, kas yra po Žemės paviršiumi – šių bangų aidai ir šešėliai atskleidžia į radarą panašius giluminio vidaus vaizdus. Tačiau dar visai neseniai struktūrų „vaizdai“ ties šerdies ir mantijos riba – regione, kuris pirmiausiai domina mūsų planetos vidinį šilumos srautą – buvo grūdėti ir sunkiai interpretuojami.

Šiame tyrime naudojami Sdiff spindulių įvykiai ir trajektorijos. a) Skerspjūvis, pjaunantis per ypač mažo greičio regiono centrą Havajuose, rodantis Sdiff bangų spindulių trajektorijas 96°, 100°, 110° ir 120° 1D PREM Žemės modeliui. Brūkšninės linijos iš viršaus į apačią rodo 410 km, 660 km ir 2 791 km (100 km virš šerdies ir mantijos ribos) nutrūkimus. b) Įvykiai ir Sdiff spindulių trajektorijos fono tomografijos modelyje SEMUCB_WM1 2791 km gylyje. Paplūdimio kamuoliai renginiams, nudažyti įvairiomis spalvomis, įskaitant 20100,320 (geltona), 20111214 (žalia), 20120417 (raudona), 20180910 (violetinė), 20180518 (ruda), 20181030 (rožinė), 20181030 (rožinė), 20161)tri stations22 (gravy) , ir spinduliai. Sdiff bangos trajektorijos 2791 km skylės gylyje apatinėje mantijoje, naudojamos šiame tyrime. Trumpo laikotarpio analizėje naudojamas įvykis paryškintas geltonai. Siūloma ULVZ vieta rodoma juodu apskritimu. Brūkšninė linija rodo skerspjūvį, nubrėžtą A. Credit: Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5

Tyrėjai naudojo moderniausius skaitmeninio modeliavimo metodus, kad nustatytų kilometrų masto struktūras ties šerdies ir mantijos riba. Pasak bendraautorio dr. Kuangdai Lengo, kuris metodus sukūrė būdamas 2010 m[{” attribute=””>University of Oxford, “We are really pushing the limits of modern high-performance computing for elastodynamic simulations, taking advantage of wave symmetries unnoticed or unused before.” Leng, who is currently based at the Science and Technology Facilities Council, says that this means they can improve the resolution of the images by an order of magnitude compared to previous work.

The researchers observed a 40% reduction in the speed of seismic waves traveling at the base of the ultra-low velocity zone beneath Hawaii. This supports existing proposals that the zone contains much more iron than the surrounding rocks – meaning it is denser and more sluggish. “It’s possible that this iron-rich material is a remnant of ancient rocks from Earth’s early history or even that iron might be leaking from the core by an unknown means,” said project lead Dr Sanne Cottaar from Cambridge Earth Sciences.

Conceptual cartoons of the Hawaiian ultra-low velocity zone (ULVZ) structure. A) ULVZ on the core–mantle boundary at the base of the Hawaiian plume (height is not to scale). B) a zoom in of the modeled ULVZ structure, showing interpreted trapped postcursor waves (note that the waves analyzed have horizontal displacement). Credit: Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5

The research could also help scientists understand what sits beneath and gives rise to volcanic chains like the Hawaiian Islands. Scientists have started to notice a correlation between the location of the descriptively-named hotspot volcanoes, which include Hawaii and Iceland, and the ultra-low velocity zones at the base of the mantle. The origin of hotspot volcanoes has been debated, but the most popular theory suggests that plume-like structures bring hot mantle material all the way from the core-mantle boundary to the surface.

With images of the ultra-low velocity zone beneath Hawaii now in hand, the team can also gather rare physical evidence from what is likely the root of the plume feeding Hawaii. Their observation of dense, iron-rich rock beneath Hawaii would support surface observations. “Basalts erupting from Hawaii have anomalous isotope signatures which could either point to either an early-Earth origin or core leaking, it means some of this dense material piled up at the base must be dragged to the surface,” said Cottaar.

More of the core-mantle boundary now needs to be imaged to understand if all surface hotspots have a pocket of dense material at the base. Where and how the core-mantle boundary can be targeted does depend on where earthquakes occur, and where seismometers are installed to record the waves.

The team’s observations add to a growing body of evidence that Earth’s deep interior is just as variable as its surface. “These low-velocity zones are one of the most intricate features we see at extreme depths – if we expand our search, we are likely to see ever-increasing levels of complexity, both structural and chemical, at the core-mantle boundary,” said Li.

They now plan to apply their techniques to enhance the resolution of imaging of other pockets at the core-mantle boundary, as well as mapping new zones. Eventually, they hope to map the geological landscape across the core-mantle boundary and understand its relationship with the dynamics and evolutionary history of our planet.

Reference: “Kilometer-scale structure on the core–mantle boundary near Hawaii” by Zhi Li, Kuangdai Leng, Jennifer Jenkins and Sanne Cottaar, 19 May 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5