Землетруси не тільки завдають людям шкоди, але й дозволяють більше дізнатися про внутрішню будову Землі. Сейсмічні хвилі - потужний інструмент, за допомогою якого вчені відновлюють рельєф шарів, з яких складається наша планета, - верхньої і нижньої мантії, зовнішнього і внутрішнього ядра. Нещодавно група сейсмологів з США і Китаю змогла зафіксувати особливості верхньої і нижньої меж перехідного шару мантії. Детальніше про це читайте в нашій статті.
Перепад висот поверхні Землі (від вершини Евересту до дна Маріанської западини) становить близько 20 кілометрів, тобто межа між двома зовнішніми оболонками Землі - земною корою і атмосферою - має яскраво виражений рельєф. Що стосується внутрішніх оболонок нашої планети (верхня мантія, нижня мантія, зовнішнє ядро і внутрішнє ядро), то їх межі, на відміну від поверхні Землі, на всіх схематичних розрізах зазвичай малюють у вигляді рівних концентричних окружностей (рис. 1). Насправді це не так. Кожна з меж розділу між внутрішніми оболонками також має свій рельєф. І сучасні технічні методи дозволяють закрутити деталі цього рельєфу.
Для вивчення глибоких надр використовують геофізичні методи, в першу чергу - сейсмічні. Саме використання сейсмічних методів, заснованих на вивченні швидкості поширення об'ємних сейсмічних хвиль у товщі Землі, дозволило вченим провести межі між зонами внутрішніх неоднорідностей у тілі планети.
Об'ємні сейсмічні хвилі, що використовуються в геофізичних спостереженнях, поділяються на поздовжні P-хвилі, в яких пруга механічні коливання здійснюються вздовж напрямку розповсюдження, і поперечні S-хвилі, в яких коливання перпендикулярні напрямку поширення. Первинним джерелом сейсмічних хвиль для глибинних досліджень зазвичай служать природні землетруси, а для фіксації відгуку минулих крізь надра Землі хвиль використовують сейсмографи.
Будь-який сейсмічний імпульс «запускає» одночасно обидва типи хвиль - і поздовжні, і поперечні, які по-різному ламуються (або відбиваються) на кордонах середовищ з різною щільністю. Якщо Р-хвилі проходять через будь-які матеріали, то S-хвилі, які ще називають зрушеними хвилями (оскільки вони є деформаціями зрушення), поширюються тільки в твердих тілах, оскільки модуль зрушення в рідинах і газах дорівнює нулю. На кожній з внутрішніх кордонів відбувається різка зміна фізичних (реологічних) властивостей (рис. 2).
Зовнішній шар Землі - земна кора - це тверда оболонка. Від більш пластичної верхньої мантії вона відокремлена кордоном з різким збільшенням швидкостей поздовжніх сейсмічних хвиль - так званою поверхнею Мохоровичича. Нижня мантія при цьому більш тверда, ніж верхня. Зовнішнє ядро, в якому поперечні сейсмічні хвилі не поширюються, вважається рідким, а внутрішнє - тверде, але має певну пластичність. Це нещодавно довели австралійські геофізики.
Поверхня Мохоровичича простежується по всій земній кулі на глибині від 5 до 70 кілометрів. Тобто межа між земною корою і верхньою мантією має не менш, а навіть більш виражений рельєф, ніж поверхня Землі. Детальний аналіз сейсмічних даних показав, що амплітуда «висот» поверхні верхньої мантії досягає 40 кілометрів. Приблизно така ж амплітуда «рельєфу» характерна і для поверхні нижньої мантії (рис. 3).
Крім перерахованих головних внутрішніх оболонок Землі (земна кора, верхня мантія, нижня мантія, зовнішнє ядро, внутрішнє ядро), є ще одна зона, яку виділяють за характером проходження сейсмічних хвиль, - так звана перехідна зона мантії, розташована в інтервалі глибин 410-670 кілометрів від поверхні (рис. 2).
Зафіксувати особливості рельєфу верхньої межі перехідного шару мантії, розташованої на глибині приблизно 410 кілометрів, до останнього часу не вдавалося. Крім того, не було до кінця зрозуміло, наскільки надійно фіксуються елементи топографії поверхні розділу верхньої і нижньої мантії і чи не є вони просто відображенням похибки інтерпретації результатів сейсмічних спостережень.
Для того щоб відповісти на ці запитання, група вчених з Китаю і США провела спеціальне дослідження. Аналізуючи результати сейсмологічних спостережень численних сейсмічних станцій, отримані за одними й тими самими подіями (землетрус у Болівії 1994 року магнітудою 8,2; землетруси в Охотському морі 2008 року і 2012 року, обидва магнітудою 7,3), а також архівні записи сейсмографів з Національного центру інформації про землетруси Геологічної служби США, автори дослідження показують, що для кордону між верхньою і нижньою мантією, розташованою на глибині близько 660-670 кілометрів, дані різних станцій практично повністю збігаються. Тобто цей кордон володіє стійким рельєфом, деталі якого вдалося успішно закотити.
Для верхньої межі перехідної зони мантії, розташованої на глибині 410 кілометрів, такої чіткої картини не спостерігається, а її топографія є більш згладженою і володіє нестійким «рельєфом». Звідси автори дослідження роблять висновок про те, що більш чітка межа між верхньою і нижньою мантією є не тільки межею фазового переходу, але і кордоном двох областей з різним хімічним складом, а межа, розташована на глибині 410 кілометрів, - тільки кордоном фазового переходу, що підтверджується і експериментальними дослідженнями.
На цій глибині температура становить близько 1800 кельвінів, а тиск - близько 22 гігапаскалів. За таких умов відбувається фазовий перехід олівіну (^-Mg2SiO4), що становить близько 60 відсотків обсягу верхньої мантії, в його високобарну модифікацію - вадслеїт (^-Mg2SiO4). А другий за поширеністю (40 відсотків обсягу верхньої мантії) мінерал - піроксен - переходить у гранатову фазу. Саме ці мінерали, мабуть, і складають перехідну зону мантії.
На кордоні ж у 660 кілометрів (температура 1900 кельвінів, тиск 26 гігапаскалів) олівін і гранат змінюються щільними оксидами кальцію, магнію і титану типу перовскиту, тобто зовсім іншою за складом мінеральною фазою, у 30 разів більш в'язкою, ніж верхня мантія.
Детальна обробка сигналів болівійського землетрусу дозволила буквально створити «топографічну карту» поверхні нижньої мантії для цілого регіону в Південно-Східній Азії (рис. 4).
Методологічно це виглядало наступним чином. Сейсмічні хвилі, зустрічаючи на своєму шляху межу розділу фаз, частково відображаються від цього кордону. Поздовжні сейсмічні хвилі, створені болівійським землетрусом, що пройшли через мантію і зовнішнє ядро, частково відбивалися від поверхонь розділу, розташованих на глибинах 410 і 660 кілометрів під Південно-Східною Азією, і поверталися назад, де вловлювалися сейсмографами на станціях, розташованих поблизу епіцентру землетрусу (рис. 5).
За різницею в часі приходу хвиль можна визначити відстань до поверхні, що вивчається (в даному випадку, до межі 660 кілометрів). Якщо межа відображення є пласкою, всі відображені хвилі будуть повертатися через один і той же час. Якщо ж хвилі будуть зустрічати на своєму шляху нерівності відбиваючої поверхні, вони будуть повертатися з тимчасовим відхиленням. Чим більше нерівності поверхні, тим більше буде тимчасове відхилення хвилі, що відбивається від неї. Природно, в дослідженні розглядалися тільки поздовжні хвилі (Р-хвилі), так як тільки ці хвилі проходять через ядро Землі.