Ας κάνουμε ένα ταξίδι στα βάθη της Γης, κάτω από τον φλοιό και τον μανδύα σχεδόν μέχρι τον πυρήνα. Θα χρησιμοποιήσουμε σεισμικά κύματα για να δείξουμε το δρόμο, καθώς αντηχούν στον πλανήτη μετά από σεισμό και αποκαλύπτουν την εσωτερική του δομή σαν κύματα ραντάρ.

Κάτω κοντά στον πυρήνα, υπάρχουν ζώνες όπου τα σεισμικά κύματα αργούν να σέρνονται. Νέα έρευνα από το Πανεπιστήμιο της Γιούτα διαπιστώνει ότι αυτές οι αινιγματικές και περιγραφικά ονομασμένες ζώνες εξαιρετικά χαμηλής ταχύτητας είναι εκπληκτικά πολυεπίπεδες. Η μοντελοποίηση υποδηλώνει ότι είναι πιθανό ορισμένες από αυτές τις ζώνες να είναι υπολείμματα από τις διεργασίες που διαμόρφωσαν την πρώιμη Γη – υπολείμματα ατελούς ανάμειξης όπως συστάδες αλευριού στον πάτο ενός μπολ με κουρκούτι.

«Από όλα τα χαρακτηριστικά που γνωρίζουμε στον βαθύ μανδύα, οι ζώνες εξαιρετικά χαμηλής ταχύτητας αντιπροσωπεύουν αυτό που είναι ίσως το πιο ακραίο», λέει ο Michael S. Thorne, αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Γεωλογίας και Γεωφυσικής. «Πράγματι, αυτά είναι μερικά από τα πιο ακραία χαρακτηριστικά που υπάρχουν οπουδήποτε στον πλανήτη».

Η μελέτη δημοσιεύεται στο Γεωεπιστήμη της φύσης και χρηματοδοτείται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.

Μέσα στο μανδύα

Ας δούμε πώς είναι δομημένο το εσωτερικό της Γης. Ζούμε στον φλοιό, ένα λεπτό στρώμα συμπαγούς βράχου. Μεταξύ του φλοιού και του πυρήνα σιδήρου-νικελίου στο κέντρο του πλανήτη βρίσκεται ο μανδύας. Δεν είναι ένας ωκεανός από λάβα – αντίθετα είναι περισσότερο σαν συμπαγής πέτρα, αλλά ζεστό και με ικανότητα κίνησης που οδηγεί τους τεκτονικούς πλακών στην επιφάνεια.

Πώς μπορούμε να έχουμε ιδέα τι συμβαίνει στον μανδύα και στον πυρήνα; Σεισμικά κύματα. Καθώς κυματίζουν στη Γη μετά από έναν σεισμό, οι επιστήμονες στην επιφάνεια μπορούν να μετρήσουν πώς και πότε τα κύματα φτάνουν σε σταθμούς παρακολούθησης σε όλο τον κόσμο. Από αυτές τις μετρήσεις, μπορούν να υπολογίσουν ξανά τον τρόπο με τον οποίο τα κύματα αντανακλώνται και εκτρέπονται από δομές εντός της Γης, συμπεριλαμβανομένων στρωμάτων διαφορετικών πυκνοτήτων. Έτσι γνωρίζουμε πού βρίσκονται τα όρια μεταξύ του φλοιού, του μανδύα και του πυρήνα — και εν μέρει πώς γνωρίζουμε από τι αποτελούνται.

Οι ζώνες εξαιρετικά χαμηλής ταχύτητας βρίσκονται στο κάτω μέρος του μανδύα, πάνω από τον εξωτερικό πυρήνα του υγρού μετάλλου. Σε αυτές τις περιοχές, τα σεισμικά κύματα επιβραδύνονται έως και κατά το ήμισυ και η πυκνότητα αυξάνεται κατά το ένα τρίτο.

Οι επιστήμονες αρχικά πίστευαν ότι αυτές οι ζώνες ήταν περιοχές όπου ο μανδύας ήταν μερικώς λειωμένος και μπορεί να είναι η πηγή μάγματος για τις λεγόμενες ηφαιστειακές περιοχές «καυτών σημείων», όπως η Ισλανδία.

«Αλλά τα περισσότερα από τα πράγματα που ονομάζουμε ζώνες εξαιρετικά χαμηλής ταχύτητας δεν φαίνεται να βρίσκονται κάτω από ηφαίστεια θερμών σημείων», λέει ο Thorne, «έτσι δεν μπορεί να είναι όλη η ιστορία».

Έτσι, ο Thorne, η μεταδιδακτορική υπότροφος Surya Pachhai και οι συνεργάτες του από το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Αυστραλίας, το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα και το Πανεπιστήμιο του Κάλγκαρι ξεκίνησαν να εξερευνήσουν μια εναλλακτική υπόθεση: ότι οι ζώνες εξαιρετικά χαμηλής ταχύτητας μπορεί να είναι περιοχές κατασκευασμένες από διαφορετικούς βράχους από τους υπόλοιπους μανδύα – και ότι η σύνθεσή τους μπορεί να ακούσει πίσω στην πρώιμη Γη.

Ίσως, λέει ο Thorne, οι ζώνες εξαιρετικά χαμηλής ταχύτητας θα μπορούσαν να είναι συλλογές οξειδίου του σιδήρου, το οποίο βλέπουμε ως σκουριά στην επιφάνεια, αλλά το οποίο μπορεί να συμπεριφέρεται ως μέταλλο στον βαθύ μανδύα. Αν συμβαίνει αυτό, θύλακες οξειδίου του σιδήρου ακριβώς έξω από τον πυρήνα μπορεί να επηρεάσουν το μαγνητικό πεδίο της Γης που δημιουργείται ακριβώς από κάτω.

«Οι φυσικές ιδιότητες των ζωνών εξαιρετικά χαμηλής ταχύτητας συνδέονται με την προέλευσή τους», λέει ο Pachhai, «η οποία με τη σειρά της παρέχει σημαντικές πληροφορίες για τη θερμική και χημική κατάσταση, την εξέλιξη και τη δυναμική του κατώτερου μανδύα της Γης – ένα ουσιαστικό μέρος της μεταφοράς του μανδύα που οδηγεί τεκτονικές πλάκες.”

Αντίστροφη μηχανική σεισμικών κυμάτων

Για να έχουν μια σαφή εικόνα, οι ερευνητές μελέτησαν ζώνες εξαιρετικά χαμηλής ταχύτητας κάτω από τη Θάλασσα των Κοραλλιών, μεταξύ Αυστραλίας και Νέας Ζηλανδίας. Είναι μια ιδανική τοποθεσία λόγω της αφθονίας των σεισμών στην περιοχή, οι οποίοι παρέχουν μια σεισμική εικόνα υψηλής ανάλυσης του ορίου πυρήνα-μανδύα. Η ελπίδα ήταν ότι οι παρατηρήσεις υψηλής ανάλυσης θα μπορούσαν να αποκαλύψουν περισσότερα για το πώς συναρμολογούνται οι ζώνες εξαιρετικά χαμηλής ταχύτητας.

Αλλά η λήψη μιας σεισμικής εικόνας από κάτι μέσα από σχεδόν 1800 μίλια φλοιού και μανδύα δεν είναι εύκολη. Επίσης, δεν είναι πάντα οριστικό – ένα παχύ στρώμα υλικού χαμηλής ταχύτητας μπορεί να αντανακλά τα σεισμικά κύματα με τον ίδιο τρόπο όπως ένα λεπτό στρώμα υλικού ακόμη χαμηλότερης ταχύτητας.

Έτσι, η ομάδα χρησιμοποίησε μια προσέγγιση αντίστροφης μηχανικής.

«Μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα μοντέλο της Γης που να περιλαμβάνει μειώσεις της ταχύτητας των κυμάτων εξαιρετικά χαμηλών», λέει ο Pachhai, «και στη συνέχεια να εκτελέσουμε μια προσομοίωση υπολογιστή που μας λέει πώς θα έμοιαζαν οι σεισμικές κυματομορφές αν ήταν έτσι η Γη στην πραγματικότητα. Το επόμενο βήμα είναι να συγκρίνουμε αυτές τις προβλεπόμενες ηχογραφήσεις με τις ηχογραφήσεις που έχουμε στην πραγματικότητα.”

Πάνω από εκατοντάδες χιλιάδες τρεξίματα μοντέλων, η μέθοδος, που ονομάζεται “Bayesian inversion”, αποδίδει ένα μαθηματικά στιβαρό μοντέλο του εσωτερικού με καλή κατανόηση των αβεβαιοτήτων και των αντισταθμίσεων διαφορετικών υποθέσεων στο μοντέλο.

Ένα συγκεκριμένο ερώτημα που ήθελαν να απαντήσουν οι ερευνητές είναι εάν υπάρχουν εσωτερικές δομές, όπως στρώματα, μέσα σε ζώνες εξαιρετικά χαμηλής ταχύτητας. Η απάντηση, σύμφωνα με τα μοντέλα, είναι ότι τα στρώματα είναι πολύ πιθανά. Αυτό είναι μεγάλο θέμα, γιατί δείχνει τον τρόπο για να κατανοήσουμε πώς προέκυψαν αυτές οι ζώνες.

“Από όσο γνωρίζουμε, αυτή είναι η πρώτη μελέτη που χρησιμοποιεί μια τέτοια Μπεϋζιανή προσέγγιση σε αυτό το επίπεδο λεπτομέρειας για τη διερεύνηση ζωνών εξαιρετικά χαμηλής ταχύτητας”, λέει ο Pachhai, “και είναι επίσης η πρώτη μελέτη που δείχνει ισχυρή στρώση σε μια ζώνη εξαιρετικά χαμηλής ταχύτητας. .”

Κοιτάζοντας πίσω στην προέλευση του πλανήτη

Τι σημαίνει ότι υπάρχουν πιθανά στρώματα;

Πριν από περισσότερα από τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια, ενώ ο πυκνός σίδηρος βυθιζόταν στον πυρήνα της πρώιμης Γης και ελαφρύτερα ορυκτά επέπλεαν στον μανδύα, ένα πλανητικό αντικείμενο μεγέθους περίπου του Άρη μπορεί να έπεσε πάνω στον νήπιο πλανήτη. Η σύγκρουση μπορεί να έριξε συντρίμμια στην τροχιά της Γης που θα μπορούσαν αργότερα να σχηματίσουν τη Σελήνη. Αύξησε επίσης σημαντικά τη θερμοκρασία της Γης – όπως θα περίμενε κανείς από δύο πλανήτες που συντρίβονται μεταξύ τους.

«Ως αποτέλεσμα, σχηματίστηκε ένα μεγάλο σώμα λιωμένου υλικού, γνωστό ως ωκεανός μάγματος», λέει ο Pachhai. Ο «ωκεανός» θα αποτελείται από πέτρες, αέρια και κρυστάλλους που αιωρούνται στο μάγμα.

Ο ωκεανός θα είχε τακτοποιηθεί καθώς κρυωνόταν, με πυκνά υλικά να βυθίζονται και να στρώνονται στο κάτω μέρος του μανδύα.

Κατά τη διάρκεια των επόμενων δισεκατομμυρίων ετών, καθώς ο μανδύας αναδεύτηκε και μεταφερόταν, το πυκνό στρώμα θα είχε ωθηθεί σε μικρά κομμάτια, εμφανιζόμενα ως πολυεπίπεδες ζώνες εξαιρετικά χαμηλής ταχύτητας που βλέπουμε σήμερα.

«Έτσι, το πρωταρχικό και πιο εκπληκτικό εύρημα είναι ότι οι ζώνες εξαιρετικά χαμηλής ταχύτητας δεν είναι ομοιογενείς αλλά περιέχουν ισχυρές ετερογένειες (δομικές και συνθετικές παραλλαγές) μέσα τους», λέει ο Pachhai. “Αυτό το εύρημα αλλάζει την άποψή μας για την προέλευση και τη δυναμική των ζωνών εξαιρετικά χαμηλής ταχύτητας. Διαπιστώσαμε ότι αυτός ο τύπος ζώνης εξαιρετικά χαμηλής ταχύτητας μπορεί να εξηγηθεί από χημικές ετερογένειες που δημιουργήθηκαν στην αρχή της ιστορίας της Γης και ότι ακόμα δεν είναι καλά αναμεμειγμένο μετά από 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια μεταφοράς του μανδύα».

Όχι η τελευταία λέξη

Η μελέτη παρέχει κάποιες ενδείξεις για την προέλευση ορισμένων ζωνών εξαιρετικά χαμηλής ταχύτητας, αν και υπάρχουν επίσης στοιχεία που υποδηλώνουν διαφορετικές προελεύσεις για άλλες, όπως το λιώσιμο του ωκεάνιου φλοιού που βυθίζεται ξανά στον μανδύα. Αλλά αν τουλάχιστον κάποια εξαιρετικά χαμηλή ταχύτητα Οι ζώνες είναι υπολείμματα από την πρώιμη Γη, διατηρούν μέρος της ιστορίας του πλανήτη που διαφορετικά είχε χαθεί.

«Ως εκ τούτου, η ανακάλυψή μας παρέχει ένα εργαλείο για την κατανόηση της αρχικής θερμικής και χημικής κατάστασης της Γης μανδύας», λέει ο Pachhai, «και η μακροπρόθεσμη εξέλιξή τους».