Международное исследовательское сотрудничество использовало возможности суперкомпьютеров, чтобы лучше понять, как формируются массивные плиты древнего океанского дна, когда они опускаются на сотни километров под поверхность Земли.
Усовершенствованные компьютерные модели, разработанные учёными из Великобритании, Швейцарии и США, пролили новый свет на сложные физические взаимодействия, которые управляют скольжением и опусканием древнего океанского дна, также известного как субдуцированные плиты, через мантию Земли в процессе, известном как субдукция.
Исследование проводилось под руководством учёных из Университета Глазго. Их статья «Роль перекрывающей плиты и структуры вязкости мантии в морфологии глубоких плит» опубликована в журнале Geochemistry, Geophysics, Geosystems.
Основные выводы исследования
Результаты работы команды помогают объяснить, как условия в критической точке мантии и силы, действующие в зонах субдукции, определяют пути перемещения этих древних плит. Предыдущие исследования с использованием сейсмической томографии для визуализации глубинных слоёв планеты показали, что некоторые субдуцированные плиты выравниваются на глубине 660 км, в то время как другие продолжают проникать через нижнюю мантию на глубины более 1000 км, достигая границы ядра и мантии.
На глубине 660 км под поверхностью Земли мантия претерпевает эндотермический фазовый переход, где нетрансформированный материал в холодном ядре субдуцированной плиты сопротивляется её дальнейшему опусканию. Это, вместе с общим увеличением жёсткости мантии на глубинах между 660–1000 км и глубже, затрудняет дальнейшее движение субдуцированной плиты.
Моделирование процесса
Моделирование команды демонстрирует, что возможность плиты продолжить путь к границе ядра и мантии зависит от того, под какой плитой — океанической или континентальной — она опускается, а также от конкретной глубины, на которой происходит увеличение жёсткости мантии.
Когда над зоной субдукции располагается толстая континентальная плита, а мантия становится более устойчивой на глубине около 1000 км, опускающиеся плиты сначала отклоняются на 660 км, но затем продолжают движение глубже, образуя характерную «ступенчатую» форму, подобную лестничным маршам.
В то же время, когда над зоной субдукции располагается более тонкая океаническая плита, опускающиеся плиты, как правило, выравниваются на глубине 660 км, независимо от глубины, на которой увеличивается жёсткость мантии.
Доктор Антониетт Грета Грима из Школы географических и земных наук Университета Глазго возглавляла исследование и является ведущим автором статьи. Она отметила: «Континенты, на которых мы живём, не только формируют ландшафты, которые мы видим вокруг себя, но и влияют на работу «земного двигателя», который находится глубоко под поверхностью, когда океанические плиты затягиваются в недра Земли в течение миллионов лет».
Исследование проводилось с использованием суперкомпьютера Великобритании ARCHER для запуска двумерных моделей, показывающих, как холодные, старые субдуцированные океанические плиты формируются под влиянием структуры мантии Земли и свойств поверхности в зонах субдукции.
Ключевым показателем, который направляет прогноз модели, является «коэффициент изгиба плиты» — новая концепция, разработанная доктором Гримой, которая помогает количественно оценить поведение субдуцирующей плиты и определить, будет ли она выравниваться на глубине около 660 км или продолжит движение вниз.
Результаты модели хорошо согласуются с тем, что геологи уже знают о двух плитах, расположенных под Южной Америкой и Азией. В Южной Америке плита Наска под Перу опускается «ступенчато», что является признаком континентального влияния. Между тем плита Идзу-Бонин вблизи Японии выравнивается на глубине, как и ожидалось для субдукции океанической плиты под другую океаническую плиту.
Доктор Грима добавила: «В медицинских условиях мы используем такие методы, как рентген или компьютерная томография, чтобы заглянуть внутрь тела. В геологии мы можем использовать модели сейсмической томографии, чтобы заглянуть глубоко внутрь Земли, создавая изображения на основе того, как вибрации от землетрясений поглощаются и отражаются различными по плотности материалами, находящимися на сотни километров ниже наших ног».
Исследование проводилось совместно с учёными из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США), Undertone Design и Международного института космической науки в Швейцарии.