Анизотропна ли мантия Земли?
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Анизотропия — это изменчивость физических свойств вещества в зависимости от направления. Всем известна анизотропия кристаллов. Так, у оливина в направлении одной кристаллографической оси скорость распространения звука 9,87 км/сек, а в направлении другой — лишь 7,73 км/сек. Но в породе отдельные кристаллы ориентированы хаотически, и можно думать, что, в среднем, преимущественных направлений в изменении физических свойств не будет, т. е. вещество окажется изотропным. Именно это предположение долгое время господствовало в сейсмологии. Упругие свойства изотропного вещества представлены всего двумя константами — скоростями продольных и поперечных волн. Но если вещество анизотропно, то в наиболее сложном случае необходимо знать 21 константу. А тогда геофизиков ожидают большие затруднения…
Американский исследователь С. Хесс, анализируя сейсмические наблюдения методом преломленных волн в северо-восточной части Тихого океана, заметил, что в широтном направлении скорость сейсмических волн верхней мантии намного больше (8,6 км/сек), чем в меридиональном (8,0 км/сек). Казалось, анизотропия доказана. Однако пункты наблюдений были разбросаны по большой территории между Калифорнией и Гавайскими островами и различия в скоростях могли возникнуть совсем по другой причине — сказалась горизонтальная неоднородность мантийного вещества. И тогда снарядили специальную экспедицию (Скриппсовский институт океанографии) для детальных, измерений скоростей сейсмических волн на небольших участках у берегов Калифорнии и в районе островной Гавайской дуги.
Использовали один корабль для взрывов и несколько приемных станций: два корабля, понтон «Флип» и автономные сейсмические буи. Применялись необычные схемы прострелки: взрывы проводились вдоль креста профилей, на концах которых располагались приемные станции. Кроме того, источники взрывов размещались по кругу, а регистраторы в центре. Каждая приемная станция регистрировала время пробега продольных сейсмических волн в мантии по разным направлениям. В результате обработки на компьютере нескольких тысяч измерений были построены карты аномалий времени пробега и графики зависимости сейсмической скорости от азимута.
На двух полигонах у берегов Калифорнии разница между максимальными и минимальными скоростями, обусловленная анизотропией, была определена в 0,27 и 0,36 км/сек, а направление волны с максимальной скоростью имело азимуты 72 и 81°. В районе Гавайской островной дуги различие между максимальной скоростью в широтном и минимальной скоростью в меридиональном направлениях оказалось еще больше — 0,6 км/сек, что составляет половину возможной разности в скоростях мантии для всей Земли.
Таким образом, анизотропия скоростей сейсмических волн в верхней мантии Тихого океана, безусловно, существует! Но какова ее причина? Возможно, анизотропия связана с региональной ориентацией кристаллов оливина. А это может наблюдаться при всех глобальных тектонических механизмах; при дрейфе континентов и «растаскивании» океанического дна, при расширении Земли и конвекционных потоках и т. д. Чтобы предположения стали выводами, нужны новые тщательные исследования анизотропии в разных районах.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.