Изучение землетрясений дает представление о составе и тепловом состоянии нижней мантии Земли.

Исследовательская группа под руководством профессора Ву Чунцина из Колледжа наук о Земле и космосе Китайского университета науки и технологии Китайской академии наук добилась значительного прогресса в определении состава вещества и теплового состояния нижней мантии Земли.

Результаты их исследования под названием «Структурно-термическое состояние нижней мантии трехмерного выворота трещины с использованием сейсмической томографии и минералогической гибкости» опубликованы в журнале Труды Национальной академии наук.

Недра Земли можно условно разделить на кору, верхнюю мантию, нижнюю мантию и ядро. Нижняя мантия, расположенная на глубине от 660 до 2890 километров ниже поверхности, состоит из большей части Земли по объему и массе. Он играет решающую роль в структуре и динамике планеты.

Предыдущие сейсмические исследования выявили вариации скоростей сейсмических волн в нижней мантии, включая крупномасштабные провинции с низкой скоростью поперечных волн (LLSVP) под Африкой и Тихим океаном. Однако природа, происхождение и последствия этих аномалий до сих пор полностью не изучены. Поэтому получение всестороннего понимания пространственного распределения состава вещества и температуры в нижней мантии имеет решающее значение для раскрытия формирования, эволюции и динамики Земли.

Чтобы решить эти проблемы, исследовательская группа использовала комбинацию сейсмической томографии и упругих свойств минералов для определения состава, пространственного распределения материалов мантии и температуры. Однако экспериментальные измерения упругости минералов в экстремальных условиях нижней мантии представляют значительные трудности.

Чтобы обойти это, команда профессора Чжунцина разработала новый метод вычислений из первых принципов, который является эффективным в вычислительном отношении и составляет менее одной десятой от традиционных методов. Используя этот подход, команда тщательно изучила упругие свойства основных минералов в нижней мантии и получила результаты, согласующиеся с экспериментальными данными, полученными при относительно низких температурах и давлениях.

Путем интеграции вычисленных высокотемпературных упругих данных по минералам нижней мантии при высоком давлении с моделью 3D-томографии исследовательской группе удалось инвертировать 3D-структуру минералов и распределение температуры всей нижней мантии, используя метод Монте-Карло цепи Маркова. Кроме того, они создали трехмерную модель плотности нижней мантии.

Результаты инверсии показали, что латеральное распределение температуры в нижней мантии следует гауссовой схеме с минимальными вариациями в диапазоне глубин 1600 км. Однако с увеличением глубины распространение постепенно расширяется. Примечательно, что в нижней части нижней мантии латеральное распределение температуры отклоняется от гауссовой картины, что указывает на сильную латеральную неоднородность, вероятно связанную с присутствием LLSVP.

Дальнейший анализ показал, что основной вклад в аномалии скорости в верхней части нижней мантии вносят тепловые аномалии, тогда как различия в химическом составе больше всего влияют на аномалии скорости в наиболее глубокой части мантии.

Исследование также показало, что LLSVP демонстрируют более высокую плотность в нижней части нижней мантии по сравнению с окружающей мантией, при этом демонстрируя более низкую плотность над глубиной примерно 2700 км. Кроме того, LLSVP характеризуются повышенными температурами и богатыми концентрациями железа и бригманита, что подтверждает гипотезу о том, что LLSVP могли возникнуть из первичных океанов базальной магмы на ранних стадиях эволюции Земли.

Результаты этого исследования дают фундаментальное представление о составе и тепловом состоянии нижней мантии Земли, значительно улучшая наше понимание глубинной структуры планеты. Ожидается, что эти идеи окажут глубокое влияние на исследования формирования, эволюции и динамики Земли.