Развивая лучшее представление о механизме, лежащем в основе тектоники плит, ученые надеются лучше понять механизмы, которые приводят в движение плиты и влияют на связанные с ними процессы, включая те, которые связаны с землетрясениями и извержениями вулканов.Когда мы смотрим на Землю, мы видим ее твердую кору, относительно тонкий слой горных пород, из которых состоят континенты и дно океана. Кора располагается на тектонических плитах, которые медленно перемещаются со временем в слое, называемом литосферой.
Внизу плит, на глубине от 80 до 100 километров от поверхности, начинается астеносфера. Внутренние части Земли легче протекают в астеносфере, и считается, что здесь конвекция способствует развитию тектоники плит, но как именно это происходит и как выглядит граница между литосферой и астеносферой, неясно.
Чтобы ближе познакомиться с этими процессами, группа ученых под руководством ученых из обсерватории Земли Ламонт-Доэрти Колумбийского университета установила массив сейсмометров на дне Тихого океана, недалеко от центра Тихоокеанской плиты. Записывая сейсмические волны, порожденные землетрясениями, они смогли заглянуть глубоко внутрь земли и создать изображения потока мантии, аналогичные тому, как доктор изображает сломанную кость.Сейсмические волны движутся быстрее через текущую породу, потому что давление деформирует кристаллы оливина, минерала, распространенного в мантии, и растягивает их в том же направлении.
Исследуя более быстрое движение сейсмических волн, ученые могут составить карту, где мантия течет сегодня, а где она текла в прошлом.Считается, что движением океанических плит движутся три основные силы: плиты «отталкиваются» от срединно-океанических хребтов по мере образования нового морского дна; плиты «вытягиваются», когда самые старые части плиты погружаются обратно в землю в зонах субдукции; а конвекция в астеносфере помогает перемещать плиты. Если преобладающий поток в астеносфере возник исключительно в результате «толчка гребня» или «натяжения пластины», то кристаллы прямо под пластиной должны совпадать с движением пластины. Однако исследование показало, что направление кристаллов не коррелирует с видимым движением плиты на любой глубине в астеносфере.
Вместо этого выравнивание кристаллов наиболее сильное около верха литосферы, где формируется новое морское дно, наиболее слабое у основания плиты, а затем снова достигает пика силы примерно на 250 километров ниже поверхности, глубоко в астеносфере.«Если бы основным потоком была мантия, срезанная пластиной над ней, а пластина просто увлекает за собой все, мы бы предсказали быстрое направление, отличное от того, что мы видим», — сказал соавтор Джеймс Гахерти, геофизик из Lamont- Доэрти. "Наши данные показывают, что есть два других процесса в мантии, которые более сильны: во-первых, астеносфера явно течет сама по себе, но она глубже и в меньшем масштабе; и, во-вторых, распространение морского дна на хребте создает очень прочную литосферную ткань. это нельзя игнорировать ". По словам Гахерти, сдвиг, вероятно, действительно происходит на границе плиты, но он значительно слабее.Дональд Форсайт, морской геофизик из Университета Брауна, который не участвовал в новом исследовании, сказал: «Эти новые результаты заставят пересмотреть преобладающие модели течения в океанической мантии».Глядя на всю верхнюю мантию, ученые обнаружили, что самый мощный процесс, заставляющий горные породы течь, происходит в верхней части литосферы, поскольку новое морское дно создается на срединно-океаническом хребте.
Когда расплавленная порода поднимается, только часть текущей породы выдавливается к гребню. С обеих сторон давление сгибает лишнюю породу на 90 градусов, так что она проталкивается в литосферу параллельно основанию коры.
По мере охлаждения поток затвердевает, создавая рекорд распространения морского дна за миллионы лет.Этот процесс «углового потока» был известен, но исследование уделяет ему большее внимание, показывая, что он деформирует горные кристаллы на глубину не менее 50 километров в глубину литосферы.В астеносфере закономерности предполагают два возможных сценария течения, оба из которых свидетельствуют о наличии каналов конвекции, которые выходят на глубину примерно на 250–300 километров ниже поверхности земли. В одном сценарии перепады давления управляют потоком, как выдавливание зубной пасты из тюбика, заставляя камни течь с востока на запад или с запада на восток внутри канала.
Авторы пишут, что перепад давления может быть вызван горячими, частично расплавленными породами, скопившимися под срединно-океаническими хребтами или под охлаждающими плитами, погружающимися в землю в зонах субдукции. Другой возможный сценарий состоит в том, что мелкомасштабная конвекция имеет место внутри канала, когда куски мантии охлаждают и опускаются.
Измерения силы тяжести с высоким разрешением показывают изменения на относительно небольших расстояниях, которые могут отражать мелкомасштабную конвекцию.«Тот факт, что мы наблюдаем более мелкомасштабные процессы, которые доминируют над деформацией верхней мантии, — это большой шаг вперед.
Но все еще остается неясным, что это за процессы потока. Нам нужен более широкий набор наблюдений из других регионов», — сказал Гахерти.
Исследование является частью проекта NoMelt, который был разработан для изучения границы литосферы и астеносферы в центре океанической плиты, вдали от влияния таяния на хребте. Ученые считают, что находки здесь характерны для Тихоокеанского бассейна и, вероятно, океанических бассейнов по всему миру.
NoMelt уникален своим расположением. В большинстве исследований используются наземные сейсмометры на краю океана, которые, как правило, выделяют движение плит над астеносферой из-за его большого масштаба и упускают из виду более мелкомасштабные процессы.
Группа океанских донных сейсмометров NoMelt с помощью сейсмического исследовательского корабля Lamont Marcus G. Langseth записала данные о землетрясениях и других сейсмических источниках из середины плиты в течение года.