Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

Как устроена наша Земля?

Подписаться Бесплатная «Серебряная» новостная рассылка . Подписчиков 150 RSS
←   Февраль 2011   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
18.02.2011
03:35:05
03:47:36
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://www.olegyakupov.com
Открыта: 05-10-2010

Автор
olegtrf

Статистика

150 подписчиков
0 за неделю
←   Все выпуски   →

Как устроена наша Земля? Часть 3. Плюмы в Нижней мантии Земли (700 – 2900 км).


СЕЙСМИЧЕСКАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ МАНТИЙНЫХ ПЛЮМОВ.

Часть 3. Плюмы в Нижней мантии Земли (700 – 2900 км).

1. Что такое Нижняя мантия Земли.
1.1. Граница ядро – мантия Земли – область зарождения плюмов.
2. Картирование плюмов в Нижней мантии.
2.1. Глобальная томография.
2.2. Детальный анализ объемных волн, пересекающих плюм.
2.3. Дифракционная томография.
3. Плюмы в низах мантии (1700 – 2900 км).
3.1. Зоны ультранизкой скорости (ULVZ).
3.2. Региональные исследования.
4. Нерешенные вопросы визуализации плюмов.
Литература.

1. Что такое Транзитная зона.

Нижняя мантия – это сферический слой, расположенный в интервале глубин от 700 км до 2700 км от Земной поверхности. Верхняя граница совпадает с подошвой Транзитной зоны. Нижняя граница отделяет Нижнюю мантию Земли от жидкого Внешнего ядра Земли. Средняя мощность Нижней мантии 2200 км. В модели Земли австралийского сейсмолога К. Е. Буллена Нижняя мантия обозначена символом D. Позднее этим же сейсмологом слой (зона) D была подразделена на зону D' и зону D'' (2700 – 2900 км). Слой D'' характеризуется пониженным градиентом сейсмической скорости, по сравнению с вышележащей Нижней мантией.
Обратимся к схематическому изображению плюма в Нижней мантии (Рис. А.)
Обмен P-волн в S-волну на сейсмической разрывной границе на глубинах 660 км и 410 км.
Рисунок. А. Обмен P-волн в S-волну на сейсмической разрывной границе на глубинах 660 км и 410 км, упругие волны P660S и P410S, которые могут наблюдаться на радиальной компоненте смещения на поверхности (горизонтальная компонента смещения находится в плоскости рисунка).

Вязкость вещества Нижней мантии, возможно, в 30 раз превышает вязкость вещества в Верхней мантии. Столь высокая вязкость в большей степени, чем в Верхней мантии, препятствует продвижению вверх плюмового вещества, что может приводить к увеличению диаметра плюма.
Расчеты показывают, что диаметр плюма в Нижней мантии может достигать 500 ки и более [Albers & Christensen 1996]. Если предположить, что плюм зарождается в разогретом пограничном слое выше границы ядро – мантия. Температура в пограничном слое, в области зарождения плюма, увеличена примерно на 1000К. Соответственно, температура плюма превышает температуру вещества Нижней мантии более чем на 600К.
To Top

1.1. Граница ядро – мантия Земли – область зарождения плюмов.

Граница ядро – мантия Земли была показана на модели Г. Джеффриса и Б. Гуттенберга в первой половине 20-го века. Граница на глубине 2900 км выделялась резким уменьшением скорости Р-волн с 13.6 км/с до 8.1 км/с. Как мы отметили выше, в модели Земли австралийского сейсмолога К. Е. Буллена Нижняя мантия была обозначена символом D. Позднее этим же сейсмологом слой D был подразделена на зону D' и зону D'' (2700 – 2900 км). Слой D'' характеризуется пониженным градиентом сейсмической скорости, по сравнению с вышележащей Нижней мантией. Слой D'' может быть областью зарождения плюмов. Нижняя граница слоя D'' отделяет его от внешнего жидкого ядра. Слой D'' непосредственно соприкасается с этим жидким веществом, температура которого значительно превышает температуру в Нижней мантии. За счет соприкосновения твердых пород мантии с жидким веществом внешнего ядра, в пограничной зоне, которой и является зона D'' могут зарождаться те самые тепломассопотоки, которые и называются плюмами. Первоочередная задача структурной сейсмологии – обнаружение подобных зон плавления в пределах слоя D'' и последующего их прослеживания в Нижней мантии. Отметим, что верхняя граница слоя D'' не столь стабильна по глубине залегания, как нижняя. Глубина залегания верхней границы слоя D'' может изменяться в пределах нескольких сотен километров. Фрагментарно выражена разрывами скорости S-волн 1-рода. Я планирую в ближайших выпусках рассылки дать обзор исследований зоны D'', где наметился заметный прогноз, обусловленный применением методов деконволюции к сейсмограммам, содержащим информацию о соответствующих глубинах.
To Top

2. Картирование плюмов в Нижней мантии.

Нижняя мантия хорошо поддается визуализации методами сейсмической томографии. Следует учитывать, что размер выявляемых неоднородных областей определяется длиной волн, применяемых в технологии.
To Top

2.1. Глобальная томография.

Разрешающая способность глобальной томографии на начало 21 века не позволяет изучать ствол отдельного плюма в нижней мантии. Размер зоны Френеля для короткопериодных Р-волн на глубинах, соответствующих нижней мантии, имеет порядок 400 км, что определяет размеры объектов в нижней мантии, которые могут быть изучены с помощью этих волн. Поэтому плюмы, с предполагаемым размером около 400 км в нижней мантии, будут невидимыми для классической томографии на годографах или будут "сливаться" при визуализации в более крупные неоднородные тела.
Ситуация усугубляется для низкоскоростных цилиндрических объектов, каковыми являются плюмы, так как волновой фронт "залечивается" быстро, после пересечения низкоскоростного цилиндра, тем самым значительно снижая амплитуды во временах запаздывания [Dahlen et al 2000,…].
To Top

2.2. Детальный анализ объемных волн, пересекающих плюм.

Стратегия заключается в выборе региона, геометрии и данных таким образом, чтобы максимально снизить размер зоны Френеля. То есть проведение детального анализа объемных волн, пересекающих гипотетический нижнемантийный плюм под горячей точкой. Детальный анализ Р-волн с использованием многоканальной кросс-корреляции, позволяет выявить области задержек волн, связанные с плюмоподобными телами. Проводятся теоретические исследования связи задержек времени, измеренных при помощи кросс-корреляции, со свойствами рассеивающих плюмоподобных структур.
To Top

2.3. Дифракционная томография.

Высокоразрешающие методы анализа волновых сигналов позволяют изучать рассеяние длиннопериодных объемных волн плюмоподобными структурами, с последующим применением подходящего варианта дифракционной томографии.
Проводятся теоретические исследования связи динамических свойств сейсмических волн со свойствами рассеивающих плюмоподобных структур. Использование рассеянных волн позволяет достичь лучшего пространственного разрешения для систем наблюдений.
To Top

3. Плюмы в низах мантии (1700 – 2900 км).

В низах мантии происходит много сложных явлений, для которых используются разнообразные сейсмологические инструменты. Если плюмы зарождаются в самых низах мантии, то на этих глубинных уровнях следует ожидать наличие областей с пониженными значениями скорости, размером порядка 1000 км. Следовательно, для зондирования низов мантии, а фактически пограничной зоны между ядром и мантией, где зарождаются термальные плюмы, можно применять телесейсмические волны. В частности волны, преломленные ядром Земли.
To Top

3.1. Зоны ультранизкой скорости (ULVZ).

Свидетельства присутствия зон с ультра низкими скоростями Р-волн в основании мантии были обнаружены в процессе детального анализа SPdKS волн [Garnero & Helmberger 1995, Garnero et al 1998].
Скорость Р-волн уменьшается на 10%, что может быть связано с частичным плавлением. Поиски ультра низкоскоростных проведены для большей части Земного шара.
Обмен P-волн в S-волну на сейсмической разрывной границе на глубинах 660 км и 410 км.
Рисунок. Б.Зона сверхнизких скоростей (ULVZ - Ultra-Low Velocity Zones) в основании мантии. Красным цветом закрашены области, где эта зона обнаружена, а области, где эта зона отсутствует, закрашены синим цветом. Белым цветом закрашены не изученные регионы. Желтыми кружками обозначены горячие точки [Williams et al 1998].
To Top

3.2. Региональные исследования.

Исследования базируются на выборе благоприятного взаимного положения источника, объекта и преемника. Например: зона субдукции Тонга – основание мантии под Гавайями – Североамериканская сейсмологическая сеть.
To Top

4. Нерешенные вопросы визуализации плюмов.

1. Существуют ли плюмы? Пожалуй, это самый главный вопрос. Если существуют, то существует ли несколько разновидностей плюмов.
Ни одно из рассмотренных наблюдений, по отдельности, не кажутся абсолютно убедительным, но все вместе они свидетельствуют о наличии плюмов.
2. Где зарождаются плюмы. Действительно ли плюмы зарождаются на границе ядро – мантия Земли. Возможно ли зарождение плюмов на других глубинных уровнях.
Сегодня можно сказать, что плюмы существуют, а некоторые из них зародились в самых низах мантии.
2. Внешний вид плюмов. На что они похожи. Могут ли плюмы быть наклонными.
3. Размер плюмов.
4. Какова температура в плюме.
Весьма трудно определять изменения температуры в плюме по наблюденным изменениям скорости, хотя это очень заманчиво с точки зрения геодинамики.
На эти поставленные вопросы может дать окончательный ответ сейсмическая визуализация плюмов в мантии.
С моим переводом полной версией этой работы можно познакомиться здесь....
Рекомендую не последний по времени, но замечательный по охвату проблемы обзор профессора Льва Павловича Винника.
To Top

Литература.

Albers M, Christensen U.R. 1996. The excess temperature of plumes rising from the coremantle boundary. Geophys. Res. Lett. 23:3567–70
Dahlen, F., Hung, S.-H. & Nolet, G. 2000. Frechet kernels for finitefrequency traveltimes. I. Theory, Geophys. J. Int., 141, 157–174.
Garnero E. J., Helmberger D. V. (1995) A very slow basal layer underlying large-scale lowvelocity anomalies in the lower mantle beneath the Pacific: evidence from core phases. Phys. Earth Planet. Inter. 91:161–76
Garnero E. J., Revenaugh J. S., Williams Q, Lay T, Kellogg L. H. 1998. Ultralow velocity zone at the core-mantle boundary. In The Core-Mantle Boundary, ed. M Gurnis, M.E. Wysession, E Knittle, B. A. Buffett, pp. 319–34. Washington, DC: AGU
Williams Q., Revenaugh J.S., Garnero E.J. 1998. A correlation between ultra-low basal velocities in the mantle and hotspots. Science 281:546–49
To Top
В избранное