Imaginile de înaltă rezoluție dezvăluie caracteristici surprinzătoare în adâncul pământului

O nouă cercetare condusă de Universitatea din Cambridge este prima care obține o „imagine” detaliată a unui buzunar neobișnuit de rocă în stratul limită cu nucleul Pământului, la aproximativ trei mii de kilometri sub suprafață.

Regiunea misterioasă a stâncilor, situată aproape direct sub Insulele Hawaii, este una dintre numeroasele regiuni cu viteză foarte mică – așa numită deoarece valurile de cutremur încetinesc până la un târâș pe măsură ce trec prin ele.

Cercetare publicată în revistă pe 19 mai 2022 Comunicarea naturiieste primul care dezvăluie în detaliu anizotropia internă complexă a unuia dintre aceste buzunare, aruncând lumină asupra peisajelor din adâncurile Pământului și asupra proceselor care operează în interiorul acestora.

„Dintre toate trăsăturile interne profunde ale Pământului, aceasta este cea mai fascinantă și complexă. Acum am obținut primele dovezi solide care arată structura sa internă – este un adevărat reper în seismologia profundă”, a spus autorul principal Zhi Li, doctorand. în Departamentul de Științe Pământului de la Cambridge. sol”.

Interiorul Pământului este format ca o ceapă: în centru se află miezul fier-nichel, înconjurat de un strat gros cunoscut sub numele de manta, iar deasupra o crustă exterioară subțire – crusta pe care trăim. Deși mantaua este o rocă solidă, este suficient de fierbinte încât să curgă foarte încet. Curenții interni de convecție furnizează căldură la suprafață, provocând mișcarea plăcilor tectonice și alimentează erupțiile vulcanice.

Oamenii de știință folosesc undele seismice de la cutremure pentru a „vedea” ce se află sub suprafața Pământului – ecourile și umbrele acestor unde dezvăluie imagini radar din interiorul adânc. Dar, până de curând, „imaginile” structurilor de la limita nucleu-manta, o regiune de interes primordial pentru studierea fluxului de căldură intern al planetei noastre, erau granulate și greu de interpretat.

Evenimentele și traiectorii razelor Sdiff utilizate în acest studiu. a) O secțiune transversală care trece prin centrul regiunii cu viteză ultra-mică din Hawaii, arătând traiectorii razelor pentru undele Sdiff la 96°, 100°, 110° și 120° pentru modelul 1D PREM Earth. Liniile întrerupte de sus în jos indică discontinuitățile de 410 km, 660 km și 2.791 km (100 km deasupra limitei nucleu-manta). b) Evenimente și traiectorii razelor Sdiff pe modelul de tomografie de fond SEMUCB_WM1 la o adâncime de 2791 km. Mingi de plajă pentru evenimente vopsite în diferite culori, inclusiv 20100,320 (galben), 20111214 (verde), 20120417 (roșu), 20180910 (violet), 20180518 (maro), 20181030 (roz), 2016 (triunghiuri) 1222 (triunghiuri) 1222 (triunghiuri) , și raze. Traiectoriile undelor Sdiff la o adâncime de gaură de 2791 km în mantaua inferioară utilizată în acest studiu. Evenimentul utilizat în analiza perioadei scurte este evidențiat cu galben. Locația ULVZ propusă este afișată într-un cerc negru. Linia întreruptă arată secțiunea transversală desenată în A. Credit: Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5

Cercetătorii au folosit metode de modelare numerică de ultimă generație pentru a detecta structuri la scară kilometrică la limita nucleu-manta. Potrivit co-autorului Dr. Kuangdai Leng, care a dezvoltat metodele în timp ce era la[{” 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