Введение
Сейсмическая томография обнаружила две крупные мантийные аномалии под Африкой и Тихим океаном, которые не меняют своего положения сотни миллионов лет. Аномалии расположены на границе нижней мантии с ядром Земли. Можно образно назвать аномалии гигантскими «каплями» горячего вещества, суперплюмами. Африканская и Тихоокеанская провинции с низкой скоростью сдвиговых волн, являются корнями крупнейших вулканических систем.
Подобные геодинамические следствия, вытекающие из данных сейсмической томографии, изменили понимание геологии Земли. Они показали, что Земля – это единая геодинамическая система, в которой процессы на глубине 2900 км, неопосредованно управляют эволюцией земной коры. Также, данные сейсмотомографии доказали, что тектоника плит и вулканизм горячих точек – это единая термохимическая модель Земли, управляемая процессами охлаждения внешнего (жидкого) ядра.
Сейсмическая томография Земли
Сейсмическая томография Земли – это метод глубинного сканирования недр планеты, аналогичный медицинской компьютерной томографии (КТ), который использует волны от землетрясений, для создания 3D-моделей мантии и ядра. Метод основан на изучении кинематических свойств сейсмических волн, то есть, измерении скорости прохождения сейсмических волн сквозь земные толщи. В холодных и плотных горных породах сейсмческие волны ускоряются, а в горячих и частично расплавленных средах, волны замедляются.
Как сейсмотомография “видит” Мантию Земли
Мантия Земли (60–2890 км) неоднородна и находится в постоянном тепловом движении (конвекции). Сейсмотомография выявила в мантии Земли три ключевые структуры:
1. “Кладбища литосферных плит”. В верхней и нижней мантии обнаружены холодные (синие на томограммах) полосы. Это древние океанические плиты, которые погрузились вглубь планеты в зонах субдукции (например, под Тихим океаном).
2. Суперплюмы (LLVPs – Large Low-Shear-Velocity Provinces). На самой границе с ядром обнаружены две гигантские, сопоставимые с целыми континентами капли-структуры в самой нижней части мантии Земли, прямо над внешним ядром. Они определяются по аномально замедленной скорости сейсмических волн и, как предполагается, состоят из плотного материала, богатого железом. Это корни крупнейших вулканических систем планеты. Крупные мантийные аномалии под Африкой и Тихим океаном не меняют своего положения сотни миллионов лет.
3. Слой D”. Граница мантии и ядра толщиной около 200–300 км. Сейсмическая томография показывает здесь резкие скачки свойств пород, химические реакции и активное перемешивание вещества.
Как сейсмическая томография “видит” Ядро Земли
Земное ядро начинается на глубине 2890 и делится на две части: внешнее ядро и внутреннее ядро.
| Слой ядра | Глубина (км) | Физическое состояние | Данные сейсмотомографии |
|---|---|---|---|
| Внешнее ядро | 2890 – 5150 | Жидкое (расплав железа и никеля) | Не пропускает поперечные S волны. Томография фиксирует здесь потоки жидкого металла, создающие магнитное поле Земли (Геомагнитное динамо). |
| Внутреннее ядро | 5150 – 6371 | Твердое (кристаллическое железо) | Пропускает оба типа волн P и S. Обнаружена сильная анизотропия: вдоль земной оси волны идут быстрее, чем вдоль экватора. |
Ядро внутри Ядра. Современная томография указывает на то, что внутри твердого внутреннего ядра есть еще более глубокая центральная зона (“ещё более внутреннее ядро”) радиусом около 650 км с другим направлением кристаллов железа.
Глобальные геотектонические процессы, которые объясняются данными сейсмотомографии.
Важнейшие геодинамические процессы внутри земли находят удовлетворительное объяснение в опоре на результаты сейсмической мотомографии. Рассмотрим эти процессы.
1. Двухъярусная конвекция и «прорыв» плит. Раньше ученые спорили: перемешивается ли мантия целиком (общемантийная конвекция) или верхняя и нижняя мантия изолированы. Томография показала смешанную модель:
1.1. Задержка плит. На границе верхней и нижней мантии (на глубине 660 км) плотность пород резко увеличивается. Сейсмотомограммы фиксируют, как погружающиеся литосферные плиты деформируются, перегибаются и “накапливаются” на этой глубине.
1.2. Глубокий провал. Скопив тяжелое холодное вещество, плиты лавинообразно прорывают этот барьер и падают в низ мантии, в слой D”. Этот процесс называют слаб-хаосом (slab chaos).
Slab chaos в тектоники плит описывает разрушение, фрагментацию и хаотичное погружение части тектонической плиты в мантию Земли. Одна плита уходит под другую (в зонах субдукции). Chaos в геологии означает потерю плитой ее целостности. Из-за колоссального давления плита трескается, плавится, изгибается или распадается на части. Достигая нижних слоев мантии, плита становится гетерогенной. Более плотные базальтовые породы могут распадаться или застревать, образуя деформированные участки с неоднородной температурой. Эти обломки меняют потоки горячих мантийных пород (плюмов), вызывая сейсмическую активность и аномалии в распределении магмы в недрах планеты. Подобные разрушенные и деформированные плиты изучаются с помощью сейсмической томографии (например, остатки плиты Farallon под Северной Америкой).
2. Природа суперплюмов (LLVP) и катастрофический вулканизм.
Две суперструктуры на границе мантии и ядра (под Африкой и Тихим океаном) работают как главные тепловыделяющие артерии планеты:
2.1. Генераторы плюмов. Томография «видит», как от краев этих гигантских капель вверх поднимаются узкие термальные потоки — мантийные плюмы.
2.2. Трапповые магматические провинции. Когда голова плюма достигает литосферы, происходят колоссальные излияния лавы. Так образовались Сибирские траппы и плато Декан в Индии, вызвавшие великие вымирания видов в истории Земли.
3. Механизм дрейфа континентов. Классическая теория тектоники плит утверждала, что плиты движутся только за счет сил в зонах субдукции (тяга слабо-погружающейся плиты). Томография внесла коррективы:
3.1. Мантийные течения. Замечены горизонтальные сейсмические аномалии под литосферой. Мантийное вещество движется со скоростью нескольких сантиметров в год, буквально «волоча» за собой тектонические плиты снизу вверх (базальное трение).
4. Динамический рельеф Земли. Форма Земли определяется не только плотностью коры, но и силами, которые толкают её снизу.
4.1. Поднятия (Супервелл): Африканский континент приподнят над уровнем моря в среднем на несколько сотен метров выше, чем должен быть по законам изостазии. Томография объясняет это тем, что Африканский суперплюм снизу динамически «выталкивает» весь континент вверх.
4.2. Прогибы. Области над древними утонувшими плитами (например, под Северной Америкой) испытывают динамическое погружение.
Подведём итог: Глобальный круговорот вещества. Процессы в мантии представляют собой замкнутый тепловой конвейер, который связывает ядро и кору:
Субдукция коры -> Падение плит в слой D” -> Нагрев (обломка плиты) у ядра -> Подъем суперплюмов -> Трапповый вулканизм (обновление плиты)
