В исследовании, придающем новое значение термину «нижний предел», исследователи-сейсмологи обнаружили нижнюю часть каменистой плиты поверхностного слоя Земли или литосферы, которая в результате тектонической субдукции была отодвинута более чем на 640 км ниже северо-восточного Китая.
Исследование, опубликованное группой китайских и американских ученых в журнале Nature Geoscience, предлагает новые свидетельства того, что происходит с богатыми водой океаническими тектоническими плитами, когда они протягиваются через мантию Земли под континентами.
Сейсмолог из Университета Райса Фэнлинь Ню, соавтор исследования отмечает, что данная работа представила первые сейсмические изображения с высоким разрешением верхней и нижней границ каменистой или литосферной тектонической плиты в ключевой области, известной как переходная зона мантии, которая начинается примерно в 410 км от поверхности Земли и простирается до примерно 660 км.
«Многие исследования показывают, что плита на самом деле сильно деформируется в переходной зоне мантии, становясь мягкой и податливой», – рассказывает Ниу.
Насколько плита деформируется или сохраняет свою форму, важно для объяснения того, смешивается ли она с мантией, если да, то как, и какой охлаждающий эффект она оказывает.
Мантия Земли похожа на разогретую докрасна печь. Тепло от ядра Земли поднимается через мантию в центре океанов, где образуются тектонические плиты. Оттуда тепло через мантию, охлаждаясь по мере движения, направляется к континентам, где возвращается обратно к ядру, чтобы собрать больше тепла, подняться и завершить конвективный круг.
Предыдущие исследования зондировали границы погружающихся плит в мантии, но немногие из них исследовали глубину более 200 километров, и ни одно из них не соответствовало разрешающей способности текущего исследования, в котором использовалось более 67 тыс. измерений, собранных с 313 региональных сейсмических станций на северо-востоке Китая. Этой работой, которая проводилась в сотрудничестве с Управлением землетрясений Китая, руководил соавтор Ци-Фу Чен из Китайской академии наук.
Исследование сосредоточилось на фундаментальных вопросах о процессах, формировавших поверхность Земли на протяжении миллиардов лет. Мантийная конвекция приводит в движение тектонические плиты Земли, жесткие взаимосвязанные части земной поверхности, находящиеся в постоянном движении, плавающие над астеносферой, самым верхним слоем мантии и самой жидкой частью внутренней планеты.
Там, где встречаются тектонические плиты, происходит столкновение и разрушение, что приводит к высвобождению сейсмической энергии. В крайних случаях это может вызвать разрушительные землетрясения и цунами, но большинство сейсмических колебаний слишком слабые, чтобы люди могли их почувствовать. Используя сейсмометры, ученые могут измерять величину и местоположение сейсмических возмущений. А поскольку сейсмические волны ускоряются в одних породах и замедляются в других, ученые могут использовать их для создания изображений недр Земли, почти так же, как врач может использовать ультразвук для просмотра того, что находится внутри пациента.
Ниу, профессор наук о Земле, окружающей среде и планетах в Университете Райса, был одним из первых в данном направлении более двух десятилетий назад, защищая тогда докторскую диссертацию. Обучаясь в Японии, ученый использовал плотную сеть сейсмических станций, чтобы собрать некоторые из первых подробных изображений границ затопленных плит, которые были отображены в данном исследовании.
«Япония расположена примерно там, где Тихоокеанская плита достигает глубины около 100 километров», – рассказывает Ниу. «В этой плите много воды, и она частично тает. Это создает дуговые вулканы, которые помогли создать Японию. Но мы все еще обсуждаем момент – полностью ли эта вода выбрасывается на такой глубине. Появляется все больше свидетельств того, что часть воды остается внутри пластины, чтобы уйти намного глубже».
Северо-восточный Китай предлагает одну из лучших наблюдательных позиций, чтобы выяснить, так это или нет. Этот регион находится примерно в 1000 км от Японской впадины, где Тихоокеанская плита начинает погружаться обратно вглубь планеты. В 2009 году при финансовой поддержке Национального научного фонда и других организаций, Ниу и ученые из Техасского университета в Остине, Управления землетрясений Китая, Исследовательского института землетрясений Токийского университета и Исследовательского центра прогнозирования землетрясений и извержений вулканов в Тохоку в Японии, начали установку широкополосных сейсмометров в регионе.
«Мы разместили там 140 станций, и, конечно же, чем больше станций, тем лучше разрешение», – подчеркивает Ниу. «Китайская академия наук установила дополнительные станции, чтобы можно было получать более четкое и детальное изображение».
В новом исследовании эти данные выявили как верхнюю, так и нижнюю границы Тихоокеанской плиты, опускающейся под углом 25 градусов в переходной зоне мантии. Расположение внутри этой зоны важно для изучения мантийной конвекции, потому что переходная зона находится ниже астеносферы, на глубинах, где повышенное давление вызывает резкие фазовые изменения определенных мантийных минералов. Эти фазы минералов ведут себя по-разному на сейсмических профилях, так же как жидкая вода и твердый лед ведут себя по-разному, даже если они состоят из одинаковых молекул. Поскольку фазовые изменения в переходной зоне мантии происходят при определенных давлениях и температурах, геофизики могут использовать их как термометр для измерения температуры в мантии.
Ниу подчеркнул, что тот факт, что видны верх и низ плиты, свидетельствует о том, что плита не полностью смешалась с окружающей мантией. Он отмечает, что тепловые сигнатуры частично расплавленных частей мантии под плитой также косвенно свидетельствуют о том, что она переносила часть воды в переходную зону.
«Проблема состоит в том, чтобы объяснить, как эти горячие материалы могут попасть в более глубокие слои мантии», – подчеркивает Ниу. «Нам все еще предстоит ответить на этот вопрос».
Эта плавучесть должна действовать как спасательный круг, толкая вверх нижнюю часть тонущей плиты. Ниу отмечает, что ответ на этот вопрос может заключаться в том, что в деформирующейся плите появились отверстия, позволяющие горячему расплаву подниматься, а плите опускаться.
«Если есть отверстие, расплав выйдет наружу», – подчеркивает он. «Вот почему мы думаем, что плита может идти глубже».
Дыры также могут объяснить появление вулканов, таких как Чанбайшань, на границе между Китаем и Северной Кореей.
«Это в 1000 км от границы плиты», – рассказывает Ниу. «Мы на самом деле не понимаем механизм этого типа вулкана. Но возможным объяснением может быть таяние, поднимающееся из отверстий в плите».