Новое исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports, раскрывает важные различия между двумя крупными регионами в глубинной мантии Земли, известными как «Крупные области с низкой скоростью сдвига» (LLVP, Large low-shear-velocity provinces). Эти области, расположенные под Тихим океаном и Африканским континентом, ранее считались схожими по своему составу и истории. Однако работа, проведенная учеными из Кардифского, Оксфордского, Бристольского и Мичиганского университетов, показала, что они имеют существенные различия в химическом составе и возрасте.
Сейсмологи давно используют сейсмические волны для изучения внутренней структуры Земли. Эти волны распространяются с разной скоростью в зависимости от свойств материала, через который они проходят. LLVP выделяются тем, что сейсмические волны в них движутся значительно медленнее, чем в окружающей мантии. Эти области огромны — их толщина достигает 900 километров, а ширина — тысяч километров. Ранее предполагалось, что они состоят из океанической коры, которая была погружена в мантию в зонах субдукции и затем смешана в течение миллионов лет.
Однако новое исследование, основанное на численном моделировании мантийной конвекции и реконструкции движения тектонических плит за последний миллиард лет, показало, что африканская и тихоокеанская LLVP имеют разный состав. Африканская LLVP состоит из более старого и лучше смешанного материала, тогда как тихоокеанская содержит на 50% больше молодой субдуцированной океанической коры. Это объясняет, почему африканская LLVP более размыта и толще, чем тихоокеанская. Различия в плотности между этими регионами также играют ключевую роль в их структуре.
Моделирование показало, что тихоокеанская LLVP постоянно пополняется новым материалом океанической коры благодаря активным зонам субдукции, окружающим Тихий океан, известным как Тихоокеанское огненное кольцо. В то же время африканская LLVP получает меньше нового материала, и ее состав более равномерно смешан с окружающей мантией, что снижает ее плотность.
Важным открытием стало то, что, несмотря на различия в составе, температура обеих LLVP практически одинакова. Это объясняет, почему сейсмические волны проходят через них схожим образом, что ранее вводило ученых в заблуждение. Исследование подчеркивает необходимость междисциплинарного подхода для понимания внутренних процессов Земли.
Различия между LLVP имеют важные последствия для геодинамики Земли. Поскольку эти области расположены на глубине около 3000 километров и находятся по обе стороны планеты, они влияют на то, как тепло извлекается из ядра. Это, в свою очередь, влияет на конвекцию во внешнем ядре, которая управляет магнитным полем Земли. Асимметрия в структуре LLVP может привести к нестабильности магнитного поля, что делает их изучение критически важным.
Ученые отмечают, что теперь необходимо учитывать асимметрию плотности мантии в моделях, описывающих глубинные процессы Земли. Это создает новые вызовы для исследований, так как большинство доступных данных основаны на симметричных структурах. Для дальнейшего изучения LLVP потребуется использовать дополнительные методы, такие как анализ гравитационного поля Земли.
Исследование не только углубляет наше понимание внутренней структуры Земли, но и подчеркивает связь между процессами на поверхности планеты, такими как движение тектонических плит, и глубинными структурами мантии. Это открывает новые возможности для изучения того, как эти процессы влияют на геологическую и геофизическую эволюцию нашей планеты.