Вчені розгадали таємницю прискорення сейсмічних хвиль у надрах Землі

Геофізики з Швейцарської вищої технічної школи Цюриха розкрили одну з найбільших загадок планетарної геології, пояснивши, чому сейсмічні хвилі раптово прискорюються на глибині близько 2700 кілометрів під поверхнею Землі. Дослідження, опубліковане в журналі Communications Earth & Environment, показало, що тверда порода в цій зоні насправді тече, створюючи унікальні умови для поширення землетрусних хвиль.

Протягом понад п'ятдесяти років науковці намагалися зрозуміти природу таємничого шару D», розташованого приблизно на глибині 2700 кілометрів під нашими ногами. У цій зоні сейсмічні хвилі від землетрусів раптово змінюють свою поведінку — їхня швидкість стрибкоподібно зростає, ніби вони проходять через зовсім інший матеріал. До цього часу точна природа цього явища залишалася невідомою.

Професор експериментальної мінералогічної фізики ETH Цюрих Мотохіко Муракамі, який очолив дослідження, ще у 2004 році зробив важливе відкриття. Він виявив, що перовськіт — основний мінерал нижньої мантії Землі — під впливом екстремального тиску та надвисоких температур поблизу шару D» перетворюється на новий мінерал, який отримав назву «пост-перовськіт».

Спочатку дослідники припускали, що саме ця зміна пояснює дивне прискорення сейсмічних хвиль. Однак у 2007 році Муракамі та його колеги знайшли нові докази того, що фазового переходу перовськіту самого по собі недостатньо для пояснення прискорення землетрусних хвиль.

Використовуючи складну комп'ютерну модель, вчені нарешті виявили ключовий фактор: залежно від напрямку, в якому орієнтовані кристали пост-перовськіту, змінюється твердість мінералу. Тільки коли всі кристали мінералу в моделі спрямовані в одному напрямку, сейсмічні хвилі прискорюються — саме так, як це спостерігається в шарі D» на глибині 2700 кілометрів.

У незвичайному лабораторному експерименті в ETH Цюрих Муракамі тепер довів, що кристали пост-перовськіту дійсно вирівнюються в однаковому напрямку під величезним тиском та екстремальними температурами. Для цього дослідники вимірювали швидкість сейсмічних хвиль у своєму експерименті та змогли відтворити стрибок, який відбувається в шарі D», безпосередньо в лабораторії.

«Ми нарешті знайшли останній шматочок головоломки», — каже Муракамі. Велике питання полягало в тому, що змушує ці кристали вишиковуватися в лінію. Відповідь виявилася вражаючою: тверда порода мантії тече горизонтально вздовж нижнього краю земної мантії.

Дослідники давно підозрювали, що такий рух — своєрідна конвекція, схожа на киплячу воду — повинен існувати, але ніколи не могли довести це безпосередньо. Муракамі та його колеги тепер також експериментально продемонстрували, що конвекція мантії з твердої породи присутня на межі між ядром та мантією Землі, тобто тверда — а не рідка — порода повільно, але неухильно тече на цій глибині.

«Це відкриття не тільки розв'язує загадку шару D», але й відкриває вікно в динаміку глибин Землі», — пояснює Муракамі. Це не просто віха, а й поворотний момент у науці про Землю. Припущення про те, що тверда порода тече, перетворилося з теорії на достовірний факт.

«Наше відкриття показує, що Земля активна не тільки на поверхні, але й перебуває в русі глибоко всередині», — каже професор ETH. З цими знаннями дослідники тепер можуть почати картографувати течії в найглибших надрах Землі та таким чином візуалізувати невидимий двигун, який керує вулканами, тектонічними плитами і, можливо, навіть магнітним полем Землі.

Відкриття швейцарських геофізиків кардинально змінює розуміння внутрішньої будови нашої планети та процесів, які відбуваються в її надрах. Тепер науковці мають можливість краще прогнозувати сейсмічну активність та розуміти механізми, що керують геологічними процесами на Землі.