Анизотропия нижней мантии Земли объясняется субдукцией литосферных плит

Рис. 1. Объемная схема неоднородностей мантии, построенная с помощью сейсмической томографии. Синим показаны зоны в мантии, где скорости распространения сейсмических волн выше, красным — где скорости ниже. Желтые точки на поверхности Земли — эпицентры землетрясений, красные точки — сейсмические станции. Желтыми линиями показаны траектории прохождения сейсмических волн от одного конкретного землетрясения, эпицентр которого располагался под Испанией. Рисунок с сайта eos.org

Современные сейсмические методы изучения внутреннего строения Земли позволяют не только обнаружить границы между глубинными оболочками нашей планеты, но и фиксировать неоднородности внутри них. И если в пределах верхней мантии зоны различной плотности и температуры фиксируются достаточно успешно, то для нижней мантии эта информация до последнего времени была фрагментарной. Построенная международным коллективом геофизиков глобальная модель распространения поперечных сейсмических волн с учетом их поляризации показала, что следы субдуцирующих литосферных плит обнаруживаются в верхней части нижней мантии и что в этих местах наблюдается анизотропия плотности и температуры вещества.

Для изучения глубоких недр используются геофизические методы, основанные на регистрации скорости распространения объемных сейсмических волн в толще Земли. Сейсмические волны, используемые в геофизических наблюдениях, делятся на продольные P-волны, в которых упругие механические колебания совершаются вдоль направления распространения, и поперечные S-волны, в которых колебания перпендикулярны направлению распространения. Скорости и тех, и других волн увеличиваются при повышении плотности горных пород и понижении температуры. Поэтому анализ распространения сейсмических волн, проникающих глубоко в мантию Земли, позволяет выявить плотностные и температурные неоднородности в ней, а разница в скоростях прихода продольных и поперечных волн (скорость продольных волн всегда больше скорости поперечных, поэтому они первыми достигают регистрирующих приборов-сейсмографов) — определить глубину, на которой находятся эти неоднородности.

Практически ежеминутно многие тысячи сейсмографов, расположенные на всех континентах, фиксируют сигналы, поступающие от больших и малых природных землетрясений, происходящих в разных частях нашей планеты. Именно землетрясения, ежегодное количество которых исчисляется сотнями тысяч, являются первичными источниками сейсмических волн для глубинных геофизических исследований. Проходя сквозь недра Земли, сейсмические волны, встречая на своем пути границы раздела сред или неоднородности, частично отражаются, преломляются, рассеиваются и испытывают дифракцию (рис. 1). И на выходе сейсмографы фиксируют как бы суммированный сигнал волн различных типов (прямых, отраженных, преломленных). Все это наложение волн от различных землетрясений и волн различного типа сильно осложняет расшифровку сейсмических сигналов. Поэтому ранее фиксировались и обрабатывались только сигналы от крупных землетрясений. С появлением суперкомпьютеров возникла возможность разделять наложенные сигналы от разных источников, выделять волны разных типов, что после соответствующей компьютерной обработки позволяет получить детальную объемную картину внутреннего строения мантии Земли. На этом основан метод сейсмической томографии (Seismic tomography), который на сегодняшний день является главным методом детального изучения строения глубин Земли.

Сейсмическая томография очень похожа на медицинскую рентгеновскую компьютерную томографию (КТ-сканирование), где компьютер, обрабатывая данные, полученные с приемника, так же строит трехмерное изображение и фиксирует внутренние неоднородности среды (анизотропию). Пока сейсмическая томография позволяет получать только статическую 3D-картинку (состояние на данный момент времени), но со временем, по мере развития вычислительных мощностей, этот метод позволит наблюдать изменение состояния недр Земли и в динамике.

Главные составляющие мантийной анизотропии — мантийные плюмы и субдуцирующие (погружающиеся в мантию) литосферные плиты. Субдуцирующие плиты холоднее окружающей мантии, и на сейсмотомографических изображениях они фиксируются в виде «быстрых» аномалий (зон высоких скоростей прохождения сейсмических волн). Горячие же плюмы, наоборот, фиксируются в виде «медленных» аномалий.

В верхней мантии оба этих типа неоднородностей фиксируются достаточно уверенно. Нет проблем и для переходной зоны верхней мантии, расположенной в интервале глубин 410–660 км.

Нижняя мантия более плотная и твердая, чем верхняя. Поэтому, если плюмы в виде горячих температурных аномалий в ней видны, то проследить погружение субдуцирующих плит ниже границы 660 км намного сложнее. Тем не менее информация о том, проходят ли погружающиеся литосферные пластины эту границу и сохраняются ли их следы в виде плотностных и температурных неоднородностей в нижней мантии, очень важна для понимания общих закономерностей динамики вещества в земных недрах.

Недавно международная группа ученых во главе с Аной Феррейра (Ana M. G. Ferreira) из Университетского колледжа Лондона опубликовала в журнале Nature Geoscience первое крупное обобщение на эту тему. Анализируя отклонение скоростей прохождения сейсмических волн от стандартной модели распределения скоростей по глубине PREM (A. M. Dziewonski, D. L. Anderson, 1981. Preliminary reference Earth model), авторы построили глобальную объемную модель глубинного строения нижней мантии Земли. В качестве основы для построения использовалась ранее разработанная этими же авторами глобальная модель SGLOBE-rani — наиболее современная трехмерная поперечно-волновая модель внутреннего строения Земли, основанная на результатах 43 миллионов сейсмических наблюдений, охватывающих как верхнюю, так и нижнюю мантию Земли. В качестве вычислительных средств использовались британский национальный академический суперкомпьютер HECToR и итальянский суперкомпьютер Galileo консорциума CINECA.

Основное преимущество модели SGLOBE-rani по сравнению с предлагавшимися ранее глобальными сейсмотомографическими моделями, построенными на основе изучения продольных Р-волн (модель GAP_P4) и поперечных S-волн (модель Savani), заключается в том, что она позволяет значительно точнее фиксировать в нижней мантии неоднородности, связанные с субдукцией. Для более уверенной фиксации зон неоднородностей в нижней мантии при анализе прохождения поперечных волн (S-волн) помимо стандартного показателя отклонения фактических скоростей от стандартных (δV_S) авторы использовали еще один показатель, основанный на свойстве поперечных волн испытывать поляризацию, — коэффициент радиальной анизотропии ξ, равный отношению квадратов скоростей поперечных волн с разной поляризацией: ξ=V²_SH/V²_SV, (буквы SH обозначают горизонтально поляризованные волны, SV — вертикально поляризованные). Полученные результаты показаны на примере четырех глубинных сейсмических профилей по окраинам Тихоокеанского бассейна (рис. 2).

Рис. 2. Сейсмографические разрезы по четырем профилям в окраинных частях Тихоокеанского бассейна. Для каждого профиля на верхней врезке показан разрез от поверхности до границы нижней мантии и ядра (глубиной 2900 км); цветом (в соответствии со шкалой внизу) показано отклонение δV_S (в процентах) скорости поперечных волн от средних для данной глубины: красным обозначены «медленные» (более горячие) зоны мантии, синим — «быстрые» (более холодные). На нижних врезках показаны разрезы до глубины 1400 км; цвет обозначает радиальную анизотропию: красный — зоны более быстрых SV-волн, синий — зоны более быстрых SH-волн. Серыми пятнами показаны субдуцирующие плиты. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Из рисунка видно, что субдуцирующим плитам повсеместно соответствуют холодные аномалии в верхней мантии и переходной зоне (обратите внимание на верхние врезки для каждого профиля). В нижней мантии параметр δV_S уже не всегда является информативным (ниже границы 660 км его аномалии размываются), поэтому для выявления неоднородностей в нижней мантии авторы предложили использовать также показатель радиальной анизотропии ξ. Инструментарий, связанный с использованием этого показателя, был разработан авторами ранее (S. Chang et al., 2015. Joint inversion for global isotropic and radially anisotropic mantle structure including crustal thickness perturbations) при изучении результатов сейсмических наблюдений в зонах субдукции. Тогда же авторами была выявлена закономерность, согласно которой над субдуцирующими плитами в переходной зоне верхней мантии фиксируются повышенные скорости вертикально-поляризованных S-волн (SV), а над погружающимися плитами в нижней мантии — аномалии повышенных скоростей горизонтально-поляризованных S-волн (SH).

Выявленные закономерности анизотропии нижней мантии в зонах погружения литосферных плит присущи всем регионам планеты и являются, по мнению авторов глобальными. Повсеместно субдуцирующие плиты фиксируются в переходном слое верхней мантии зоной повышенных примерно на 3% скоростей SV-волн относительно скоростей SH-волн, а в нижней мантии (до глубин 1000–1200 км) — зоной повышенных в среднем на 2% скоростей SH-волн по сравнению со скоростями SV-волн. Такая смена характера поперечных волн хорошо согласуется с теоретическими построениями, согласно которым ниже границы между пластичной верхней мантией и плотной и твердой нижней мантией пластические деформации сменяются ползучими (медленными) сдвиговыми деформациями на уровне кристаллической решетки бриджманита (магнезиального перовскита) — главного минерала нижней мантии.

Результаты исследования показывают, что хотя граница между верхней и нижней мантией, находящаяся на глубине около 660 км, является сложнопроходимой для жестких пластин земной коры, следы погружения субдуцирующих плит ниже этой границы фиксируются весьма уверенно по линейным зонам деформации в нижней мантии, которые возможно картировать, применяя специальные приемы обработки сейсмических сигналов. Важнейшим выводом является заключение о том, что именно процесс субдукции отвечает за возникновение основных неоднородностей в нижней мантии и ее анизотропии.

Источник: Ana M. G. Ferreira, Manuele Faccenda, William Sturgeon, Sung-Joon Chang, Lewis Schardong. Ubiquitous lower-mantle anisotropy beneath subduction zones // Nature Geoscience. 2019. № 12. P. 301–306. DOI: 10.1038/s41561-019-0325-7.

Владислав Стрекопытов