Повечето ученици знаят, че Земята има три (или четири) слоя: кора, мантия и ядро, което понякога се разделя на вътрешно и външно ядро. Това не е погрешно, но пропуска няколко други слоя, които учените са идентифицирали на Земята.
В проучване, публикувано тази седмица в Science, геофизиците от Университета Принстън, Джесика Ървинг и Уенбо У, в сътрудничество със Сидао Ни, от Института по геодезия и геофизика в Китай, използвали данни от унищожителното земетресение в Боливия, за да намерят планини и друга топография, разположени в слой на дълбочина 660 км – слой, който разделя горната и долната мантия. (Липсва официално име за този слой, изследователите просто го наричат „границата от 660 км“)
За да погледнат дълбоко в Земята, учените използват най-мощните вълни на планетата, които са генерирани от масивни земетресения.
Големите земетресения са много по-мощни от малките – енергията се увеличава 30 пъти с всяка стъпка по скалата на Рихтер. Дълбоките земетресения, „вместо да раздробят енергията си в земната кора, могат да накарат цялата мантия да се раздвижи“, казва Ървинг. Тя получава най-добрите си данни от земетресения с магнитуд 7.0 или по-висока степен по Рихтер, тъй като ударните вълни, които изпращат във всички посоки, могат да пътуват през ядрото до другата страна на планетата – и обратно.
За това проучване ключовите данни са получени от вълни, взети след земетресение с магнитуд 8.2 по Рихтер – второто най-голямо земетресение в света, което някога е било регистрирано, разтърсило Боливия през 1994 г.
„Големите земетресения не са много чести“, казва тя. „Сега имаме късмет, че имаме толкова много повече сеизмометри, отколкото преди 20 години. Сеизмологията е различна област в сравнение с преди 20 години, разполагаме с повече инструменти и изчислителни ресурси.“
Сеизмолозите и специалистите по данни използват мощни компютри, включително и суперкомпютърния принтер на Университета в Принстън, за да симулират сложното поведение на разсейващи вълни дълбоко в Земята.
Технологията зависи от основното свойство на вълните: способността им да се огъват и скачат. Точно както светлинните вълни могат да се отразяват от огледало или да се огъват (пречупват), когато преминават през призма, вълните на земетресението пътуват направо през хомогенни скали, но се отразяват или пречупват, когато срещнат някаква граница или грапавина.
„Ние знаем, че почти всички обекти имат повърхностна грапавост и следователно разсейват светлината“, казва У. „Ето защо можем да видим тези обекти – разсейващите вълни носят информация за грапавостта на повърхността. В това изследване ние анализирахме разпръснати сеизмични вълни, които пътуват вътре в Земята, за да ограничим грапавостта на 660-километровата граница на Земята.“
Изследователите са били изненадани от това, колко груба е тази граница – „по-груба от повърхностния слой, върху който всички ние живеем. „С други думи, по-силна топография от тази на Скалистите планини или Апалачите се намира на 660-километровата граница“, казва У.
Статистическият модел на изследването не позволява точно определяне на височината, но има вероятност тези планини да са по-високи от всичко на повърхността на Земята. Разликите също не са разпределени равномерно; точно както при повърхността на земната кора, има гладки океански дъна и масивни планини, границата от 660 км в дълбочина има груби зони и гладки петна.
Изследователите също така са анализирали и слой 410 км надолу, в горната част на преходната зона на средната мантия, и те не са намерили подобна грапавост.
„В изследването си те откриват, че дълбоките слоеве на Земята са също толкова сложни, колкото това, което виждаме на повърхността“, казва сеизмологът Кристин Хаузър, асистент в Токийския технологичен институт, която не участва в изследването.
„Да намерим 2-километрова (от 1 до 3 км) промяна на височината на граница, която е по-голяма от 660 км, използвайки вълни, които пътуват през цялата Земя и обратно, е вдъхновяващ подвиг. Ние ще продължим да откриваме нови сигнали от различен мащаб, които разкриват нови свойства на слоевете на Земята“, казва още Хаузър.
Наличието на грапавост на границата от 660 kм има значителни последици за разбирането как се формира нашата планета и как тя функционира. Този слой разделя мантията, която съставлява около 84% от обема на Земята, на нейните горни и долни части. В продължение на години геолозите обсъждат колко е важна тази граница. По-специално, те са изследвали как топлината преминава през мантията и дали горещите скали се пренасят плавно от границата между ядрото и мантията (почти 3200 км надолу) чак до върха на мантията, или дали това прехвърляне се прекъсва в този слой.
Някои геохимични и минералогични доказателства предполагат, че горната и долната мантия са химически различни, което подкрепя идеята, че двете части не се смесват термично или физически. Други наблюдения показват, че няма химическа разлика между горната и долната мантия, което кара някои да спорят за това, което се нарича „добре смесена мантия“, като горната и долната мантия участват в един и същ цикъл на пренос на топлина.
Данните на новото изследване показват, че и двете групи могат да бъдат частично прави. По-гладките зони на границата от 660 км могат да се дължат на по-пълно вертикално смесване, докато по-грубите планински райони може да са се образували там, където горната и долната мантия не се смесват.
В допълнение, грапавостта, която изследователите са открили, теоретично може да бъде причинена от топлинни аномалии или химически разнородности. Но поради това как топлината се транспортира в мантията, обяснява Ву, всяка малка термална аномалия ще бъде изгладена в рамките на един милион години. Ще останат само химически различия.
Какво обаче, може да причини значителни химически различия? Въвеждането на скали, които принадлежат на земната кора, а сега са разположени в мантията е една възможност. Учените отдавна обсъждат съдбата на плочите на морското дъно, които се изтласкват в мантията в зоните на субдукция, като сблъсъците се намират около Тихия океан и другаде по света.
У и Ървинг предполагат, че останките от тези плочи сега могат да бъдат малко над или малко под границата от 660 км. „Лесно е да се предположи, че можем да открием само сеизмичните вълни, които се движат през Земята в сегашното й състояние, така че сеизмолозите не могат да разберат как се е променила вътрешността на Земята през последните 4,5 милиарда години“, казва Ървинг.
„Това, което е вълнуващо в тези резултати е, че те ни дават нова информация, за да разберем съдбата на древните тектонични плочи, които са се спуснали в мантията и където древният материал на мантията все още може да се намира.“
„Сеизмологията е най-вълнуваща, когато ни позволява по-добре да разберем вътрешността на нашата планета, както в пространството, така и във времето“, добавя Ървинг.
