Геология - наука земли

Страшно поверить, но это Мать-Земля изнутри, как её смоделировал доктор Макнамара. Красные потоки — восходящие — плюмы, синие — нисходящие (анимация с сайта mcnamara.asu.edu).

Занятное открытие сделали недавно Аллен Макнамара (Allen K. McNamara) и Эдвард Гарнеро (Edward J. Garnero) из колледжа исследований Земли и космоса (School of Earth and Space Exploration) при университете Аризоны (Arizona State University — ASU).

Результаты их исследования, увы, трудно изложить обычным языком. Однако учёные рискнули передать суть своей работы несложным и доступным слогом, понятным простому человеку, не искушённому ни в исследованиях Земли, ни космоса.

У ряда планет (у нашей, например) между корой и железно-никелевым ядром диаметром порядка 6,4 тысячи километров находится слой из горячей горной породы — мантия.

Кора толщиной около 40 километров «работает» как музей геологической истории, в котором постепенно накапливается прошлое планеты в слоях породы.

Аллен Макнамара: «Наше исследование ставило перед собой цель собрать воедино данные новейших сейсмологических исследований для того, чтобы наложить некоторые ограничения на существующие гипотезы о динамике мантии». О том, что вышло из этой затеи, можно узнать из статьи, опубликованной в журнале Science (фото с сайта asunews.asu.edu).

Мантия же постоянно меняется из-за происходящего в ней конвективного перемешивания входящих в неё веществ. В ряде уже сложившихся моделей, как правило, предполагается, что состав мантии практически равномерный. Однако ж Гарнеро и Макнамара обнаружили, что это далеко не так. И это многое меняет.

По словам геологов из упомянутого аризонского дуэта, процессы, происходящие в самой удалённой от нас части земной мантии, в её нескольких самых нижних сотнях километров, играют принципиальную роль в геологической эволюции Земли.

Исследования этого слоя планеты очень важны — они хорошо помогают привести в систему многие сведения из области современной геофизики и геохимии.

Макнамара и Гарнеро обнаружили, что в том регионе мантия характеризуется значительной неоднородностью. Особенно интересные процессы происходят в самых нижних нескольких десятках километров. Там в мантии существуют потоки вещества, которые ведут себя изолированно, независимо друг от друга, и хотя температура там очень большая (несколько тысяч градусов), они движутся очень медленно.

В целом, как отметили исследователи, этот регион самый «аномальный» по сравнению с другими частями мантии.

Вообще, эти потоки в мантии (их называют плюмами) сами по себе — любопытные штуки. В частности тем, что их движение не зависит от обычных конвективных потоков в мантии. Кроме того, плюмы влияют на возникновение разных интересных геологических образований на коре — например, земных и даже марсианских горячих точек.

Нерастворённый мёд в воде — это сложная система (в банке справа система попроще — обычный мёд). На основе такой смеси в соотношении 1 : 4, как здесь, получится, кстати, крутая медовуха! Как тут не увлечься геодинамикой? (фото с сайта billbasquin.com).

Так что же происходит в мантии? Аллен Макнамара объясняет это очень просто и вкусно.

«Представьте себе котелок с кипящей водой. Материал для примера роли не играет, — уверяет ученый. — Теперь мысленно шмякните в неё баночку мёда. Конвекция в нём будет происходить независимо от конвекции в воде — получится сложная система».

Конечно, предполагается, что мёд растворяться не будет, что несколько странно, зато чуть-чуть аппетитно. Но важно, что тут соблюдена логика модели процессов внутри мантии, выявленная Макнамарой и Гарнеро.

К ней учёные пришли, пока разбирались с давнишней проблемой наук о Земле: по причинам, казавшимся необъяснимыми, сейсмические волны в мантии распространяются с непостоянной скоростью. Проблема, надо сказать, болезненная: она мучила научный мир последние четверть века и привела к появлению двух десятков взаимно противоречивых теорий, объясняющих такой феномен.

Теперь анализ, сделанный специалистами из Аризоны, показал, что секрет — в разнородности вещества.

Исследование выявило, что загвоздка кроется в двух массивных густых скоплениях в мантии, резко отличающихся по химическому составу от окружающего их вещества. Одна расположена под Тихим океаном, другая — под Атлантическим и Африкой.

Печенье с арахисовым маслом, м-м-м… Как после такого не записаться в геологи? (фото с сайта chocolatebytes.com)

Под давлением мантия теряет свойства упорядоченного твёрдого тела и уподобляется текучему материалу. Поэтому-то она и ведёт себя особенно необычно в самом низу, у ядра.

«Можно представить, что эти скопления сделаны из арахисовой пасты, — не унимается наш гурман-геолог. — Они состоят из твёрдого вещества, но под действием высоких давлений и температур становятся мягкими, что твоё ореховое масло, которое при малейшем нажатии начинает растекаться».

Особенности динамики вещества в сих скоплениях важны для понимания не только изменений скорости сейсмических колебаний в мантии, но и перемещений тектонических плит, приводящих к землетрясениям и развитию земного рельефа — уточнили исследователи.

А вообще, если гастрономические аналогии вам кажутся удачными для описания нашего мира, то обязательно почитайте заодно про нейтронные звёзды из спагетти и ячменя.

При желании можете залить их томатом, посыпать чёрным перцем, а также тёртым сыром… Стоп, это совсем другая песня. И всё же — приятного аппетита!