Глубокие землетрясения могут раскрыть секреты мантии Земли

Новое исследование ученого из Чикагского университета предполагает, что в самом низу верхней мантии может находиться слой удивительно текучей породы, окружающий Землю.

Открытие было сделано путем измерения затяжного движения, зарегистрированного датчиками GPS на островах после глубокого землетрясения в Тихом океане недалеко от Фиджи. Опубликованное в журнале Nature исследование демонстрирует новый метод измерения текучести мантии Земли.

«Несмотря на то, что мантия составляет большую часть Земли, мы еще многого о ней не знаем», — сказал Сунён Парк, геофизик из Чикагского университета и ведущий автор исследования.

«Мы думаем, что можем узнать гораздо больше, используя эти глубокие землетрясения как способ исследовать эти вопросы».

Загадки мантии

Мы до сих пор на удивление мало знаем о Земле под нашими ногами.

Максимальное расстояние, которое кому-либо удалось выкопать, составляет около семи с половиной миль, прежде чем усиливающаяся жара буквально расплавит бур.

Таким образом, ученым пришлось использовать подсказки, такие как движение сейсмических волн, чтобы сделать вывод о различных слоях, составляющих планету, включая кору, мантию и ядро.

Одна вещь, которая поставила ученых в тупик, — это точное измерение вязкости мантийного слоя. Мантия – слой под корой.

Он сделан из камня, но при высокой температуре и давлении на такой глубине камень фактически становится вязким и очень медленно течет, как мед или смола.

«Мы хотим точно знать, как быстро течет мантия, потому что это влияет на эволюцию всей Земли — это влияет на то, сколько тепла планета сохраняет и как долго, и как земные материалы циркулируют во времени», — объяснил Парк.

«Но наше текущее понимание очень ограничено и включает в себя множество предположений».

Парк подумал, что может быть уникальный способ измерить свойства мантии, изучая последствия очень глубоких землетрясений.

Большинство землетрясений, о которых мы слышим в новостях, относительно неглубокие и возникают в верхней части земной коры.

Но иногда происходят землетрясения, которые происходят глубоко внутри Земли — до 450 миль под поверхностью.

Эти землетрясения не так хорошо изучены, как более мелкие, потому что они не так разрушительны для населенных пунктов. Но поскольку они проникают в мантию, Парк подумал, что они могут предложить способ понять поведение мантии.

Парк и ее коллеги рассмотрели одно конкретное такое землетрясение, которое произошло у побережья Фиджи в 2018 году. Землетрясение было магнитудой 8,2, но оно было настолько глубоким — 350 миль на глубине — что не вызвало серьезных повреждений или смертей.

Однако, когда ученые тщательно проанализировали данные с датчиков GPS на нескольких близлежащих островах, они обнаружили, что Земля продолжала двигаться — после того, как землетрясение закончилось.

Данные показали, что в течение нескольких месяцев после землетрясения Земля все еще двигалась, оседая в результате возмущения. Даже годы спустя Тонга все еще медленно движется вниз со скоростью около 1 сантиметра в год.

«Вы можете думать об этом как о банке меда, которая медленно возвращается к уровню после того, как вы опускаете в нее ложку, за исключением того, что на это уходят годы, а не минуты», — сказал Пак.

Это первое надежное наблюдение деформации после глубоких землетрясений; это явление наблюдалось и раньше при неглубоких землетрясениях, но эксперты считали, что эффект будет слишком мал, чтобы его можно было наблюдать при глубоких землетрясениях.

Парк и ее коллеги использовали это наблюдение, чтобы сделать вывод о вязкости мантии.

Изучив, как Земля деформировалась с течением времени, они обнаружили свидетельство наличия слоя толщиной около 50 миль, который менее вязкий (то есть «более текучий»), чем остальная часть мантии, находящийся на дне верхнего слоя мантии. Они думают, что этот слой может простираться по всему земному шару.

Этот слой с низкой вязкостью мог бы объяснить некоторые другие наблюдения сейсмологов, которые предположили, что существуют «застойные» плиты породы, которые не очень сильно двигаются, расположенные примерно на той же глубине в нижней части верхней мантии.

«Было трудно воспроизвести эти особенности с помощью моделей, но слабый слой, обнаруженный в этом исследовании, облегчает это», — сказал Парк.

Это также имеет значение для того, как Земля переносит тепло, циклически и смешивает материалы между корой, ядром и мантией с течением времени.

«Мы очень взволнованы, — сказал Пак. «С помощью этой техники можно узнать гораздо больше».

Другими соавторами статьи были Жан-Филипп Авуак и Чжунвен Чжан из Калифорнийского технологического института и Адриано Гуаланди из Итальянского национального института геофизики и вулканологии.