Imaginile de înaltă rezoluție dezvăluie caracteristici surprinzătoare în adâncul Pământului

Animație a straturilor Pământului.

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

Zona stâncoasă misterioasă, situată aproape direct sub insulele Hawaii, este una dintre multele zone cu viteză ultra-joasă – numită așa deoarece undele seismice încetinesc pe măsură ce trec prin ele.

Cercetarea, publicată pe 19 mai 2022, în jurnal Comunicarea Naturiieste primul care dezvăluie în detaliu variabilitatea internă complexă a unuia dintre aceste buzunare, aruncând lumină asupra peisajului din interiorul adânc al Pământului și asupra proceselor care au loc acolo.

„Dintre toate trăsăturile interioare adânci ale Pământului, acestea sunt cele mai fascinante și mai complexe.” — Zhi Li

„Dintre toate caracteristicile interioare adânci ale Pământului, acestea sunt cele mai fascinante și mai complexe. Acum avem primele dovezi puternice care arată structura lor internă – aceasta este o adevărată piatră de hotar în seismologia Pământului adânc”, a declarat autorul principal Zhi Li, doctorand la Departamentul de Științe ale Pământului din Cambridge.

Interiorul Pământului este stratificat ca o ceapă: în centru se află miezul fier-nichel, înconjurat de un strat gros numit manta, iar deasupra o înveliș subțire exterioară – crusta pe care trăim. Deși mantaua este făcută din rocă solidă, este suficient de fierbinte pentru a curge extrem de încet. Acești curenți interni de convecție transmit căldură la suprafață, conducând mișcarea plăcilor tectonice și alimentează erupțiile vulcanice.

Oamenii de știință folosesc undele seismice de la cutremure pentru a „vedea” sub suprafața Pământului – ecourile și umbrele acestor unde dezvăluie imagini radar ale topografiei interioare adânci. Dar, până de curând, „imaginile” structurilor de la limita nucleu-manta, o zonă cheie de interes pentru studierea fluxului intern de căldură al planetei noastre, erau granulate și greu de interpretat.

Trasee și evenimente Sdiff Ray

Evenimentele razelor Sdiff și căile utilizate în acest studiu. A) Secțiune transversală prin centrul zonei de viteză ultra-mică din Hawaii, arătând traiectoriile razelor de unde Sdiff de 96°, 100°, 110° și 120° pentru modelul 1D PREM Earth. Liniile punctate de sus în jos marchează cei 410 km, 660 km discontinuitatea și 2791 km (100 km deasupra limitei nucleu-manta). B) Evenimente și trasee ale razelor Sdiff pe modelul de tomografie de fund SEMUCB_WM1 la 2791 km adâncime. Mingi de plajă pentru evenimente trasate în diferite culori, inclusiv 20100320 (galben), 20111214 (verde), 20120417 (roșu), 20180910 (violet), 20180518 (maro), 20181030 (roz), 20161030 (roz), 2016112 traiectorii (triunghiuri) și radius2 (triunghiuri) a valurilor Sdiff la o adâncime de foraj de 2791 km în cea mai joasă manta utilizată în acest studiu. Evenimentul utilizat în analiza pe perioadă scurtă este evidențiat cu galben. Locația propusă pentru ULVZ este afișată într-un cerc negru. Linia punctată arată secțiunea transversală desenată în A. Credit: Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5

Cercetătorii au folosit cele mai recente metode de modelare numerică pentru a dezvălui structuri kilometrice 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.

Hawaiian Ultra-Low Velocity Zone (ULVZ) Structure

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

READ  Ar putea exista viață pe Venus?

Faci un comentariu sau dai un răspuns?

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *