Анізотропія нижньої мантії Землі пояснюється субдукцією літосферних плит

Ріс. 1. Об’ємна схема неоднорідностей мантії, побудована за допомогою сейсмічної томографії. Синім показані зони в мантії, де швидкості поширення сейсмічних хвиль вище, червоним — де швидкості нижче. Жовті точки на поверхні Землі — епіцентри землетрусів, червоні точки — сейсмічні станції. Жовтими лініями показані траєкторії проходження сейсмічних хвиль від одного конкретного землетрусу, епіцентр якого розташовувався під Іспанією. Малюнок з сайту eos.org

Сучасні сейсмічні методи вивчення внутрішньої будови Землі дозволяють не тільки виявити межі між глибинними оболонками нашої планети, але і фіксувати неоднорідності всередині них. І якщо в межах верхньої мантії зони різної щільності і температури фіксуються досить успішно, то для нижньої мантії ця інформація до останнього часу була фрагментарною. Побудована міжнародним колективом геофізиків глобальна модель поширення поперечних сейсмічних хвиль з урахуванням їх поляризації показала, що сліди субдукуючих літосферних плит виявляються у верхній частині нижньої мантії і що в цих місцях спостерігається анізотропія щільності і температури речовини.

Для вивчення глибоких надр використовуються геофізичні методи, засновані на реєстрації швидкості поширення об’ємних сейсмічних хвиль у товщі Землі. Сейсмічні хвилі, що використовуються в геофізичних спостереженнях, поділяються на поздовжні P-хвилі, в яких пруга механічні коливання здійснюються вздовж напрямку поширення, і поперечні S-хвилі, в яких коливання перпендикулярні напрямку поширення. Швидкості і тих, і інших хвиль збільшуються при підвищенні щільності гірських порід і зниженні температури. Тому аналіз поширення сейсмічних хвиль, що проникають глибоко в мантію Землі, дозволяє виявити щільнісні і температурні неоднорідності в ній, а різниця в швидкостях приходу поздовжніх і поперечних хвиль (швидкість поздовжніх хвиль завжди більше швидкості поперечних, тому вони першими досягають реєструючих приладів-сейсмографів) — визначити глибину, на якій знаходяться ці неоднорідності.

Практично щохвилини багато тисяч сейсмографів, розташовані на всіх континентах, фіксують сигнали, що надходять від великих і малих природних землетрусів, що відбуваються в різних частинах нашої планети. Саме землетруси, щорічна кількість яких обчислюється сотнями тисяч, є первинними джерелами сейсмічних хвиль для глибинних геофізичних досліджень. Проходячи крізь надра Землі, сейсмічні хвилі, зустрічаючи на своєму шляху межі розділу середовищ або неоднорідності, частково відбиваються, переломлюються, розсіюються і відчувають дифракцію (рис. 1). І на виході сейсмографи фіксують ніби підсумований сигнал хвиль різних типів (прямих, відображених, переломлених). Все це накладення хвиль від різних землетрусів і хвиль різного типу сильно ускладнює розшифровку сейсмічних сигналів. Тому раніше фіксувалися і оброблялися тільки сигнали від великих землетрусів. З появою суперкомп’ютерів виникла можливість розділяти накладені сигнали від різних джерел, виділяти хвилі різних типів, що після відповідної комп’ютерної обробки дозволяє отримати детальну об’ємну картину внутрішньої будови мантії Землі. На цьому заснований метод сейсмічної томографії (Seismic tomography), який на сьогоднішній день є головним методом детального вивчення будови глибин Землі.

Сейсмічна томографія дуже схожа на медичну рентгенівську комп’ютерну томографію (КТ-сканування), де комп’ютер, обробляючи дані, отримані з приймача, так само будує тривимірне зображення і фіксує внутрішні неоднорідності середовища (анізотропію). Поки сейсмічна томографія дозволяє отримувати тільки статичну 3D-картинку (стан на даний момент часу), але з часом, у міру розвитку обчислювальних потужностей, цей метод дозволить спостерігати зміну стану надр Землі і в динаміці.

Головні складові мантійної анізотропії — мантійні плюми і субдукуючі (літосферні плити, що занурюються в мантію). Субдукуючі плити холодніші за навколишню мантію, і на сейсмотомографічних зображеннях вони фіксуються у вигляді «швидких» аномалій (зон високих швидкостей проходження сейсмічних хвиль). Гарячі ж плюми, навпаки, фіксуються у вигляді «повільних» аномалій.

У верхній мантії обидва ці типи неоднорідностей фіксуються досить впевнено. Немає проблем і для перехідної зони верхньої мантії, розташованої в інтервалі глибин 410-660 км.

Нижня мантія більш щільна і тверда, ніж верхня. Тому, якщо плюми у вигляді гарячих температурних аномалій в ній видно, то простежити занурення субдукуючих плит нижче межі 660 км набагато складніше. Проте інформація про те, чи проходять літосферні пластини, що занурюються, цю межу і чи зберігаються їх сліди у вигляді щільнісних і температурних неоднорідностей у нижній мантії, дуже важлива для розуміння загальних закономірностей динаміки речовини в земних надрах.

Нещодавно міжнародна група вчених на чолі з Аною Феррейра (Ana M. G. Ferreira) з Університетського коледжу Лондона опублікувала в журналі Nature Geoscience перше велике узагальнення на цю тему. Аналізуючи відхилення швидкостей проходження сейсмічних хвиль від стандартної моделі розподілу швидкостей за глибиною PREM (A. M. Dziewonski, D. L. Anderson, 1981. Preliminary reference Earth model), автори побудували глобальну об’ємну модель глибинної будови нижньої мантії Землі. В якості основи для побудови використовувалася раніше розроблена цими ж авторами глобальна модель SGLOBE-rani — найбільш сучасна тривимірна поперечно-хвилева модель внутрішньої будови Землі, заснована на результатах 43 мільйонів сейсмічних спостережень, що охоплюють як верхню, так і нижню мантію Землі. Як обчислювальні засоби використовувалися британський національний академічний суперкомп’ютер HECToR і італійський суперкомп’ютер Galileo консорціуму CINECA.

Основна перевага моделі SGLOBE-rani порівняно з глобальними сейсмотомографічними моделями, побудованими на основі вивчення поздовжніх Р-хвиль (модель GAP_P4) і поперечних S-хвиль (модель Savani), полягає в тому, що вона дозволяє значно точніше фіксувати в нижній мантії неоднорідності, пов’язані з субдукцією. Для більш впевненої фіксації зон неоднорідностей в нижній мантії при аналізі проходження поперечних хвиль (S-хвиль) крім стандартного показника відхилення фактичних швидкостей від стандартних (_{^ VS}) автори використовували ще один показник, заснований на властивості поперечних хвиль відчувати поляризацію, — коефіцієнт радіальної анізотропії  , рівний відношенню квадратів швидкостей поперечних хвиль з різною поляризацією:   = _V2SH^/_V2SV, (літери SH позначають горизонтально поляризовані хвилі, SV — вертикально поляризовані). Отримані результати показано на прикладі чотирьох глибинних сейсмічних профілів по околицях Тихоокеанського басейну (рис. 2).

Ріс. 2. Сейсмографічні розрізи за чотирма профілями в окраїнних частинах Тихоокеанського басейну. Для кожного профілю на верхній врізці показано розріз від поверхні до межі нижньої мантії і ядра (глибиною 2900 км); кольором (відповідно до шкали внизу) показано відхилення   VS (у відсотках) швидкості поперечних хвиль від середніх для даної глибини: червоним позначені «повільні» (більш гарячі) зони мантії, синім — «швидкі» (більш холодні). На нижніх врізках показані розрізи до глибини 1400 км; колір позначає радіальну анізотропію: червоний — зони більш швидких SV-хвиль, синій — зони більш швидких SH-хвиль. Сірими плямами показані субдукуючі плити. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Geoscience

З малюнка видно, що субдукуючим плитам повсюдно відповідають холодні аномалії у верхній мантії і перехідній зоні (зверніть увагу на верхні врізки для кожного профілю). У нижній мантії параметр _{^ VS} вже не завжди є інформативним (нижче межі 660 км його аномалії розмиваються), тому для виявлення неоднорідностей в нижній мантії автори запропонували використовувати також показник радіальної анізотропії  . Інструментарій, пов’язаний з використанням цього показника, був розроблений авторами раніше (S. Chang et al., 2015. Joint inversion for global isotropic and radially anisotropic mantle structure including crustal thickness perturbations) під час вивчення результатів сейсмічних спостережень у зонах субдукції. Тоді ж авторами була виявлена закономірність, згідно з якою над субдуціюючими плитами в перехідній зоні верхньої мантії фіксуються підвищені швидкості вертикально-поляризованих S-хвиль (SV), а над плитами в нижній мантії — аномалії підвищених швидкостей горизонтально-поляризованих S-хвиль (SH).

Виявлені закономірності анізотропії нижньої мантії в зонах занурення літосферних плит притаманні всім регіонам планети і є, на думку авторів глобальними. Повсюдно субдукуючі плити фіксуються в перехідному шарі верхньої мантії зоною підвищених приблизно на 3% швидкостей SV-хвиль відносно швидкостей SH-хвиль, а в нижній мантії (до глибин 1000-1200 км) — зоною підвищених в середньому на 2% швидкостей SH-хвиль порівняно зі швидкостями SV-хвиль. Така зміна характеру поперечних хвиль добре узгоджується з теоретичними побудовами, згідно з якими нижче межі між пластичною верхньою мантією і щільною і твердою нижньою мантією пластичні деформації змінюються повзучими (повільними) зрушеними деформаціями на рівні кристалічної решітки бриджманіту (магнезіального перовскіту) — головного мінералу нижньої мантії.

Результати дослідження показують, що хоча межа між верхньою і нижньою мантією, що знаходиться на глибині близько 660 км, є складнопрохідною для жорстких пластин земної кори, сліди занурення субдукуючих плит нижче цієї межі фіксуються досить впевнено по лінійних зонах деформації в нижній мантії, які можливо картувати, застосовуючи спеціальні прийоми обробки сейсмічних сигналів. Найважливішим висновком є висновок про те, що саме процес субдукції відповідає за виникнення основних неоднорідностей у нижній мантії та її анізотропії.

Джерело: Ana M. G. Ferreira, Manuele Faccenda, William Sturgeon, Sung-Joon Chang, Lewis Schardong. Ubiquitous lower-mantle anisotropy beneath subduction zones // Nature Geoscience. 2019. № 12. P. 301–306. DOI: 10.1038/s41561-019-0325-7.

Владислав Стрекопитов