Geofizycy znajdują związek między falami sejsmicznymi, zwanymi prekursorami PKP, a anomaliami w płaszczu Ziemi.
Nowe badanie ujawnia, że sygnały sejsmiczne prekursorów PKP, które od lat wprawiają naukowców w zakłopotanie, pochodzą ze stref ultraniskich prędkości głęboko pod Ameryką Północną i zachodnim Pacyfikiem. Odkrycia dokonane przez naukowców z Uniwersytetu Utah łączą te strefy ze znaczącymi obiektami geologicznymi, takimi jak gorące wulkany, przy użyciu zaawansowanych technik sejsmicznych, aby prześledzić ich pochodzenie aż do granicy rdzenia i płaszcza.
Prekursory PKP i zagadki sejsmiczne
Przez dziesięciolecia od ich odkrycia sygnały sejsmiczne zwane prekursorami PKP stanowiły wyzwanie dla naukowców. Regiony dolnego płaszcza Ziemi rozpraszają napływające fale sejsmiczne, które powracają na powierzchnię w postaci fal PKP z różnymi prędkościami.
Pochodzenie sygnałów prekursorowych, które docierają przed głównymi falami sejsmicznymi przemieszczającymi się przez jądro Ziemi, pozostaje niejasne, ale badania prowadzone przez geofizyków z Uniwersytetu Utah rzucają nowe światło na tę tajemniczą energię sejsmiczną.
Jak wynika z badań opublikowanych 10 sierpnia w czasopiśmie „Prekursory PKP”, rozprzestrzeniają się z miejsc położonych głęboko pod Ameryką Północną i na zachodnim Pacyfiku i prawdopodobnie mają związek z „strefami bardzo małych prędkości”, czyli cienkimi warstwami płaszcza, gdzie fale sejsmiczne znacznie spowalniają. Postępy AGUgłówne czasopismo Amerykańskiej Unii Geofizycznej.
Powiązanie prekursorów PKP z cechami geologicznymi
„To jedne z najbardziej ekstremalnych obiektów odkrytych na naszej planecie. Zgodnie z prawem nie wiemy, czym one są” – powiedział główny autor Michael Thorne, profesor nadzwyczajny geologii i geofizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim. „Ale jedno wiemy, że wydaje się, że gromadzą się pod gorącymi wulkanami. Wygląda na to, że mogą być korzeniem całych pióropuszów płaszcza, z których powstają gorące wulkany”.
Te pióropusze są odpowiedzialne za wulkanizm obserwowany w Yellowstone, na Wyspach Hawajskich, Samoa, Islandii i Wyspach Galapagos.
„Wydaje się, że te naprawdę, naprawdę duże wulkany utrzymują się przez setki milionów lat mniej więcej w tym samym miejscu” – powiedział Thorne. W poprzednich pracach odkrył także jedną z największych znanych na świecie stref ultraniskich prędkości.
„Leży tuż pod Samoa, a Samoa jest jednym z największych wulkanów gorących” – zauważył Thorne.
Postępy w analizie fal sejsmicznych
Od prawie stulecia geologowie wykorzystują fale sejsmiczne do badania wnętrza Ziemi, co prowadzi do licznych odkryć, które w innym przypadku nie byłyby możliwe. Na przykład inni badacze z Uniwersytetu Utah scharakteryzowali strukturę stałego jądra wewnętrznego Ziemi i śledzili jego ruch, analizując fale sejsmiczne.
Kiedy trzęsienie ziemi wstrząsa powierzchnią Ziemi, fale sejsmiczne przedostają się przez płaszcz – dynamiczną warstwę gorącej skały o grubości 2900 km pomiędzy skorupą ziemską a metalowym jądrem. Zespół Thorne’a interesuje się tymi, które ulegają „rozproszeniu”, gdy przechodzą przez nieregularne struktury, które powodują zmiany w składzie materiału w płaszczu. Część z tych rozproszonych fal staje się prekursorami PKP.
Thorne starał się dokładnie określić, gdzie zachodzi to rozpraszanie, zwłaszcza że fale przechodzą przez płaszcz Ziemi dwukrotnie, to znaczy przed i po przejściu przez płynne jądro zewnętrzne Ziemi. Z powodu tej podwójnej podróży przez płaszcz prawie niemożliwe było rozróżnienie, czy prekursory powstały po stronie źródła, czy po stronie odbiornika ścieżki promieni.
Innowacyjne techniki badawcze w sejsmologii
Zespół Thorne’a, w skład którego wchodził adiunkt Surya Pachhai, opracował sposób modelowania kształtów fal w celu wykrycia kluczowych efektów, które wcześniej pozostawały niezauważone.
Wykorzystując najnowocześniejszą metodę macierzy sejsmicznych i nowe obserwacje teoretyczne wynikające z symulacji trzęsień ziemi, naukowcy przeanalizowali dane z 58 trzęsień ziemi, które miały miejsce wokół Nowej Gwinei i zostały zarejestrowane w Ameryce Północnej po przejściu przez planetę.
„Mogę umieścić wirtualne odbiorniki w dowolnym miejscu na powierzchni ziemi, a to mówi mi, jak powinien wyglądać sejsmogram trzęsienia ziemi w tym miejscu. Możemy to porównać z prawdziwymi nagraniami, którymi dysponujemy” – powiedział Thorne. „Możemy teraz sprawdzić, skąd pochodzi ta energia”.
Nowa metoda pozwoliła im określić, gdzie następuje rozpraszanie wzdłuż granicy między zewnętrznym rdzeniem ciekłego metalu a płaszczem, zwanej granicą rdzeń-płaszcz, znajdującej się 2900 kilometrów pod powierzchnią Ziemi.
Interakcje rdzeń-płaszcz i ULVZ
Ich odkrycia wskazują, że prekursory PKP prawdopodobnie pochodzą z regionów, w których występują strefy ultraniskich prędkości. Thorne podejrzewa, że te warstwy, których grubość wynosi zaledwie 20–40 kilometrów, powstają w miejscach, gdzie subdukowane płyty tektoniczne uderzają w granicę rdzenia i płaszcza w skorupie oceanicznej.
„Teraz odkryliśmy, że strefy ultraniskich prędkości istnieją nie tylko pod gorącymi punktami. Są rozsiane po całej granicy rdzenia i płaszcza pod Ameryką Północną” – powiedział Thorne. „Naprawdę wygląda na to, że te ULVZ są aktywnie generowane. Nie wiemy jak. Ale dlatego, że widzimy je w pobliżu subdukcji, tak myślimy bazalty z grzbietów śródoceanicznych topnieją i w ten sposób powstają. A potem dynamika rozpycha te rzeczy po całej Ziemi i ostatecznie zgromadzą się one pod gorącymi punktami.”
Według Thorne’a dynamika rozpycha te zjawiska na całą Ziemię, aż w końcu zgromadzą się one w granicach dużych prowincji o niskiej prędkości, które – według Thorne’a – stanowią odrębne pod względem składu obiekty w skali kontynentu pod Pacyfikiem i Afryką.
„Mogą dodatkowo gromadzić się pod gorącymi punktami, ale nie jest jasne, czy ULVZ powstają w tym samym procesie” – powiedział. Określenie konsekwencji takiego procesu będzie musiało poczekać na przyszłe badania.
Odniesienie: „Badanie stref o bardzo małej prędkości jako źródeł rozpraszania PKP pod Ameryką Północną i zachodnim Oceanem Spokojnym: potencjalne linki do subdukowanej skorupy oceanicznej”, Michael S. Thorne, Surya Pachhai, Mingming Li, Jamie Ward i Sebastian Rost, 10 sierpnia 2024, Postępy AGU.
DOI: 10.1029/2024AV001265
Badania te, finansowane przez National Science Foundation, przeprowadzono we współpracy z geologami z Arizona State University i University of Leeds w Wielkiej Brytanii
