Внутри Земли нашли «ржавый» континент: как твердая аномалия в мантии управляет гавайскими вулканами

Логично, что если на поверхности вулкана изливается лава, то и глубоко в его основании должен находиться резервуар с расплавленным веществом. Такая модель доминировала в геофизике при описании Гавайского плюма — гигантского восходящего потока, пронизывающего мантию Земли. Считалось, что у границы ядра, на глубине 2900 километров, корни архипелага уходят в обширную зону магмы.

Новое исследование, опубликованное в Science Advances, пересматривает эту, казалось бы, очевидную конструкцию. Глубинное сканирование показало: под самым активным вулканическим регионом планеты, вместо жидкого расплава, скрывается огромных размеров, твердый и тяжелый монолит с аномально высоким содержанием железа.

Проблема невидимых зон

Изучение строения Земли на таких глубинах прямыми методами, по понятным причинам, невозможно. Единственный инструмент геофизиков — сейсмическая томография. Когда происходит мощное землетрясение, упругие волны проходят сквозь планету. Скорость этих волн зависит от плотности, температуры и агрегатного состояния вещества, через которое они движутся. Анализируя время прибытия волн на сейсмические станции в разных точках мира, ученые строят трехмерную карту недр.

Под Гавайями давно была обнаружена так называемая зона ультранизких скоростей. Это регион огромных размеров, где сейсмические волны резко замедляются. Особенно сильно тормозятся поперечные волны (S-волны) — их скорость падает на 20% и более.

В сейсмологии резкое падение скорости поперечных волн, как правило, считается признаком присутствия жидкости. Жидкость не сопротивляется сдвигу, поэтому S-волны в ней либо исчезают, либо движутся крайне медленно. На основании этих данных была построена теория, что под Гавайями находится обширная зона частичного плавления — своего рода корневая система вулкана, состоящая из магмы.

Однако для подтверждения этой гипотезы не хватало критически важного элемента данных: поведения продольных волн (P-волн).

Технологический барьер и его преодоление

Проблема с P-волнами заключается в их физике. Чтобы пройти через исследуемую зону под Гавайями и попасть на детекторы, эти волны должны дифрагировать (огибать) внешнее ядро Земли. Сигналы, идущие по такому пути, теряют энергию и становятся очень слабыми. На сейсмограммах они практически неразличимы на фоне естественного шума и других сейсмических событий.

Из-за низкого качества данных ученые долго не могли точно измерить, насколько сильно замедляются P-волны в этой зоне. Без этого невозможно было вычислить главный параметр — соотношение падения скоростей S-волн и P-волн. Именно это число позволяет однозначно отличить расплавленную породу от твердой.

Группа исследователей под руководством Доён Кима из Имперского колледжа Лондона решила эту проблему с помощью современных методов обработки данных. Они использовали алгоритм под названием The Sequencer. Этот метод позволяет находить скрытые закономерности в огромных массивах случайных данных.

Ученые загрузили в систему записи сейсмических волн за 30 лет (с 1990 по 2021 год). Алгоритм проанализировал тысячи нечетких и зашумленных сигналов, выявил в них повторяющиеся структуры и позволил очистить полезный сигнал от помех. Впервые геофизики получили четкую картину поведения продольных волн в основании гавайского плюма.

Математическое доказательство твердости

Выяснилось, что в аномальной зоне под Гавайями замедляются не только поперечные, но и продольные волны. Причем замедляются они сопоставимо.

Ученые вычислили коэффициент соотношения скоростей.

• Если бы порода была частично расплавлена, поперечные волны замедлялись бы гораздо сильнее продольных. В этом случае коэффициент составил бы 3:1 или выше.
• Полученные данные показали коэффициент в диапазоне от 1:1 до 1.3:1.

Такое низкое соотношение физически невозможно для расплава. Оно однозначно указывает на то, что гигантская аномалия под Гавайями состоит из твердого вещества. Замедление волн вызвано не наличием жидкости, а специфическим химическим составом и высокой плотностью материала.

Химический состав: тяжелое наследие

Определив, что объект является твердым телом, исследователи приступили к моделированию его состава. Они сопоставили сейсмические данные с известными свойствами минералов при экстремальных давлениях и температурах, характерных для границы ядра и мантии.

Единственным кандидатом, свойства которого соответствуют полученным данным, оказался магнезиовюстит, обогащенный железом.

Обычная мантия состоит преимущественно из силикатов (соединений кремния). Магнезиовюстит же представляет собой оксид магния и железа [(Mg, Fe) O]. Моделирование показало, что в зоне под Гавайями концентрация оксида железа значительно выше нормы. Это делает породу намного тяжелее и плотнее окружающей мантии.

Откуда взялся этот материал? Существует две основные гипотезы, которые теперь получили весомое подтверждение:

1. Реликт ранней Земли. Около 4,5 миллиардов лет назад Земля была покрыта глобальным океаном магмы. В процессе его остывания и кристаллизации тяжелые железосодержащие минералы оседали вниз, скапливаясь на границе с ядром. Гавайская аномалия может быть древним осадком этого первичного океана, сохранившимся нетронутым в течение миллиардов лет.
2. Химическое взаимодействие с ядром. Внешнее ядро Земли состоит из жидкого железа. На протяжении геологической истории могло происходить просачивание железа из ядра в нижние слои каменистой мантии. В результате породы основания мантии постепенно насыщались железом, меняя свои физические свойства.

Новая модель тепловой машины планеты

Ранее считалось, что зоны ультранизких скоростей — это пассивные области, где мантия просто плавится от жара ядра. Теперь становится ясно, что это активные функциональные элементы планетарной системы.

Породы, обогащенные железом, обладают высокой теплопроводностью. Твердый блок магнезиовюстита под Гавайями работает как эффективный теплообменник. Он забирает тепловую энергию от ядра и передает её выше, в мантию, формируя устойчивый и мощный восходящий поток.

Это объясняет стабильность гавайской горячей точки. Если бы в основании лежал жидкий расплав, он был бы менее стабилен. Твердый, тяжелый якорь из железистой породы способен удерживать положение плюма на протяжении десятков миллионов лет, обеспечивая постоянную подпитку вулканической цепи на поверхности.

Заключение

Недра Земли устроены гораздо сложнее, чем предполагали классические модели. Глубинная структура планеты — это не просто набор слоев (кора, мантия, ядро), а мозаика из химически разнородных резервуаров.

Важно отметить, что выводы ученых касаются конкретно Гавайского региона. Данные из других частей света, например, зон под Тихим океаном, где тектонические плиты погружаются в мантию, показывают иные сейсмические характеристики (высокое соотношение скоростей). Это говорит о том, что на границе ядра и мантии соседствуют совершенно разные процессы: в одних местах происходит плавление вещества, в других — сохраняются древние твердые структуры, управляющие тепловыми потоками планеты.

Теперь ученые смогут пересмотреть данные по другим регионам и составить детальную карту химических аномалий, скрытых на глубине тысяч километров.

Источник: Science Advances