Изучая границу между ядром и мантией Земли, геофизики обнаружили, что она не такая гладкая, как считали раньше. У поверхностей, разделяющих внутренние слои, тоже сложный рельеф. Получается, что наша планета совсем не похожа на набор вложенных друг в друга сфер, как принято ее изображать. О глубоких недрах геофизики судят по сейсмическим волнам, порождаемым землетрясениями. Есть продольные P-волны — когда упругие механические колебания происходят вдоль направления распространения и поперечные S-волны — в них колебания перпендикулярны.
На границе слоев с разной плотностью скорость волн резко меняется. При переходе от твердой земной коры к более пластичной верхней мантии — увеличивается. Эту границу называют поверхностью Мохоровичича. Нижняя мантия тверже, чем верхняя. Внешнее ядро, в котором поперечные сейсмические волны не распространяются, — жидкое, а внутреннее — опять твердое, но слегка пластичное. Пока сеть сейсмографов была редкой, разделы между внутренними оболочками с определенной долей условности изображали в виде сфер. По мере накопления данных стало ясно, что каждая из этих границ — сложная поверхность со своим рельефом и внутренние "горы" даже выше, чем на поверхности Земли, а "впадины" глубже.
От вершины Эвереста до дна Марианской впадины около 20 километров, а, например, перепады границы Мохоровичича, разделяющей кору и верхнюю мантию, достигают 40 километров. И все это на глубине от пяти до 70 километров. Примерно такой же резкий рельеф характерен для границы между верхней и нижней мантией. Это доказали ученые из Китая и США. Они проанализировали результаты наблюдений сотен сейсмических станций, полученные по одним и тем же событиям: землетрясениям в Боливии 1994-го и в Охотском море 2008 и 2012 годов, а также архивные записи сейсмографов Национального центра информации о землетрясениях Геологической службы США.
Авторы исследования установили, что для границы между верхней и нижней мантией, расположенной на глубине около 660-670 километров, данные различных станций практически полностью совпадают. То есть у нее устойчивый рельеф, который даже удалось закартировать. Обработка сигналов боливийского землетрясения позволила создать в буквальном смысле слова "топографическую карту" поверхности нижней мантии для целого региона в Юго-Восточной Азии. Когда говорят о динамике Земли, обычно имеют в виду масштабные поверхностные процессы, связанные с движением литосферных плит. В зонах срединно-океанических хребтов и рифтов литосфера раздвигается, а в зонах субдукции на окраинах континентов океанические плиты погружаются под континентальные.
Но внутри Земли происходят не менее динамичные процессы и поверхностные движения — лишь их отражение. В первую очередь речь идет о мантийной конвекции, возникающей из-за разности температур в недрах и на поверхности планеты. Восходящие потоки конвекционных ячеек растягивают литосферу, нисходящие — увлекают ее в мантию. При этом в верхних частях ячеек вещество течет в горизонтальной плоскости и эти потоки заставляют литосферные плиты двигаться. Самая динамичная область Земли находится на границе ядра и мантии, на глубине около 2900 километров. Считается, что ее неоднородность влияет на многие геологические процессы, в частности, колебание оси вращения Земли и характеристики геомагнитного поля. Кроме того, сама конвекция — следствие того, что происходит в слое D” на границе с ядром.
На его поверхности ученые обнаружили массивы необычайно плотных, горячих пород — зоны аномально низких скоростей прохождения сейсмических волн (ULVZ — Ultra-low velocity zones). Они протягиваются на сотни километров, а их "высота" — десятки километров. Над ними — горячие точки с вулканами: Гавайские, Маркизские, Галапагосские острова и архипелаг Самоа в Тихом океане, Канарские и Азорские острова, Исландия — в Атлантическом, архипелаг Кергелен — в Индийском, Афарская зона вулканизма в районе Великого Африканского рифта.
Американские ученые Университета Джонса Хопкинса и Мэрилендского университета в Колледж-парке совместно с израильскими коллегами из Тель-Авивского университета, используя новый алгоритм машинного обучения, выполнили параллельный анализ семи тысяч сейсмограмм, охватывающих сотни землетрясений с 1990 по 2018 год, и впервые составили детальную карту раздела ядра и мантии Тихоокеанского региона, на которую нанесли все ULVZ-зоны. Оказалось, что ULVZ — лишь отдельные выступы в пределах более крупных, сопоставимых по размеру с континентами, провинций с низкой скоростью сдвига (LLSVP — Large low-shear-velocity provinces), которые еще называют суперплюмами. Их ответвления проникают вверх в мантию на тысячи километров. Сейчас ученые выделяют две такие провинции — Африканскую и Тихоокеанскую.
Австралийские ученые из Университета Кёртина предположили, что периоды, когда вся суша Земли объединялась в единые суперконтиненты — Пангею, Родинию, Колумбию и другие, совпадали с активностью в глубинных LLSVP-провинциях. Построили динамическую модель, связывающую эволюцию суперплюмов со сборкой и распадом суперконтинентов. Согласно этой модели, массивы LLSVP образуются из литосферных плит, которые, как выяснилось, погружаясь, не растворяются в мантии, как думали раньше, а опускаются до самой границы ядра. Здесь они переплавляются, и гигантские капли разогретого вещества — мантийные плюмы, — отрываясь от LLSVP, всплывают к поверхности, давая начало новому геодинамическому циклу. Литосфера над плюмами приподнимается, образуя купол, а затем трескается и расходится.
Исследователи из США и Китая проанализировали, как меняются сейсмические волны, проходящие через границу между внешним и внутренним ядром. Для этого использовали сигналы от дуплетов — повторяющихся землетрясений с одним и тем же эпицентром. Оказалось, что у этих изменений есть определенная периодичность, которую можно объяснить двумя механизмами: либо внутреннее ядро вращается примерно на 0,05-0,1 градуса в год, либо на его поверхности возникают высокие "горы" и глубокие "каньоны". Так что динамично меняющийся рельеф может быть и у самой глубинной границы между земными оболочками.
