Между двумя гигантскими плотными структурами в земной мантии обнаружились различия

Геофизики Цянь Юань и Минмин Ли, работающие в Университете штата Аризона, обнаружили, что две огромные структуры в мантии Земли, расположенные под Тихим океаном и Африкой, различаются своей плотностью и составом.

Данные структуры известны как «крупные области с низкой скоростью сдвига» (Large low-shear-velocity provinces, LLSVP), так как их наличие в время сейсмографических исследований было выявлено по замедлению распространения сдвиговых волн (S-волн). Известны Африканская и Тихоокеанская LLSVP. Они располагаются возле внешнего ядра Земли и распространяются вертикально в сторону мантии на тысячи километров, а по поперечным размерам сопоставимы с континентами. В среднем эти области на 0,5 % плотнее основной части мантии.

Существуют две гипотезы, объясняющие возникновение таких областей. Согласно первой, LLSVP представляют собой остатки погрузившихся в мантию плит океанической земной коры. Вторая гипотеза утверждает, что LLSVP появились после столкновения Земли с планетой Тейя, в результате которого образовалась Луна. По этой гипотезе LLSVP — это остатки мантии Тейи, которая имела более высокую плотность по сравнению с земной мантией, так как содержала больше оксида железа (II).

«Понимание структуры, динамики и эволюции глубокой мантии Земли остается одной из самых сложных и важных задач в науках о Земле, — пишут авторы исследования. — LLSVP являются крупнейшими смежными структурами в мантии Земли, и они значительно влияют на поверхностный вулканизм, конвекцию в глубине мантии и поток тепла в ядре, который отвечает за динамо. Однако остается неясным, что вызывает LLSVP и как они взаимодействуют с окружающей мантией. Объяснение происхождения и динамики LLSVP требуют лучшего понимания физических свойств LLSVP, особенно различий их плотности и вязкости с окружающей мантией. Однако плотность и вязкость глубокой мантии не определены должным образом, что препятствует полному пониманию происхождения и динамики LLSVP».

Цянь Юань и Минмин Ли использовали в своей работе геодинамическое моделирование и анализ опубликованных данных сейсмических исследований. Они смогли определить максимальную высоту, которой достигают LLSVP, и то, как их объем и плотность, а также окружающая вязкость в мантии могут контролировать их высоту. Результаты их анализа привели к неожиданному открытию: область под африканским континентом примерно на 1000 км выше, чем та, что расположена под Тихим океаном. Лучшее объяснение огромной разницы в высоте между ними состоит в том, что африканская LLSVP менее плотная и, следовательно, менее стабильная, чем тихоокеанская, что, в свою очередь, указывает на то, что они могут иметь разный состав и происхождение.

«Наши расчеты показали, что первоначальный объем LLSVP не влияет на их высоту, — говорит Цянь Юань. — Высота в основном определяется их плотностью и вязкостью окружающей мантии». «Африканская LLVP могла расти в последнее геологическое время. Это может объяснить возвышенную топографию поверхности и интенсивный вулканизм в восточной Африке», — добавляет Минмин Ли.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Geoscience.