A nagy felbontású képalkotás rejtélyes vonásokat tár fel mélyen a föld alatt

A Cambridge-i Egyetem által vezetett új kutatás az első, amely részletes „képet” készített egy szokatlan kőzetzsebről a Föld magjával határrétegben, mintegy háromezer kilométerrel a felszín alatt.

A titokzatos sziklarégió, amely szinte közvetlenül a Hawaii-szigetek alatt található, egyike a számos nagyon alacsony sebességű régiónak – azért nevezik így, mert a földrengéshullámok lelassulnak a kúszásig, ahogy áthaladnak rajtuk.

A magazinban 2022. május 19-én megjelent kutatás Természeti kommunikációelsőként tárja fel részletesen az egyik ilyen enklávé komplex belső aszimmetriáját, megvilágítva a Föld mély belső tájait és a bennük zajló folyamatokat.

„A Föld mély belső jellemzői közül ez a leglenyűgözőbb és legösszetettebb. Megszereztük az első szilárd bizonyítékot, amely megmutatja belső szerkezetét – ez igazi mérföldkő a mélyszeizmológiában” – mondta Zhi Li, a vezető szerző, egy PhD-hallgató. a Cambridge-i Földtudományi Tanszéken. földi”.

A Föld belseje hagymaszerűen van kialakítva: középen a vas-nikkel mag található, amelyet egy vastag, köpenynek nevezett réteg vesz körül, felette pedig egy vékony külső kéreg – a kéreg, amelyen élünk. Bár a köpeny szilárd szikla, elég meleg ahhoz, hogy nagyon lassan folyjon. A belső konvekciós áramok hőt táplálnak a felszínre, ami a tektonikus lemezek mozgását idézi elő, és vulkánkitöréseket táplál.

A tudósok a földrengésekből származó szeizmikus hullámokat használják fel, hogy „lássák”, mi van a Föld felszíne alatt – ezeknek a hullámoknak a visszhangja és árnyéka radarszerű képeket tár fel a mély belsejéről. De egészen a közelmúltig a mag-köpeny határán lévő struktúrák „képei” – amely a bolygónk belső hőáramlásának tanulmányozása szempontjából elsődleges fontosságú terület – szemcsések és nehezen értelmezhetőek voltak.

A tanulmányban használt Sdiff-sugarak eseményei és pályái. a) Hawaii ultra-alacsony sebességű régiójának közepén átmetsző keresztmetszet, amely az Sdiff-hullámok sugárpályáit mutatja 96°, 100°, 110° és 120° szögben az 1D PREM Földmodell esetében. A fentről lefelé haladó szaggatott vonalak a 410 km-es, 660 km-es és 2791 km-es megszakításokat jelzik (100 km-rel a mag-köpeny határa felett). b) Események és Sdiff ray pályák SEMUCB_WM1 háttértomográfiás modellen 2791 km mélységben. Különböző színekre festett strandlabdák rendezvényekre, beleértve a 20100,320 (sárga), 20111214 (zöld), 20120417 (piros), 20180910 (lila), 20180518 (barna), 20181030 (rózsaszín), 20161-es színek, 20161-es anglestri stations22 (szürke) , és sugarak. Sdiff hullámpályák 2791 km-es lyukmélységnél a jelen tanulmányban használt alsó köpenyben. A rövid időszak elemzésében használt esemény sárga színnel van kiemelve. A javasolt ULVZ hely fekete körben látható. A szaggatott vonal az A-ban megrajzolt keresztmetszetet mutatja. Jóváírás: Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5

A kutatók a legmodernebb numerikus modellezési módszereket alkalmaztak a mag-köpeny határán lévő kilométeres léptékű struktúrák kimutatására. Dr. Kuangdai Leng társszerző szerint, aki a módszereket dolgozta ki, miközben a[{” 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.

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