Чи анізотропна мантія Землі?
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Анізотропія – це мінливість фізичних властивостей речовини залежно від напрямку. Всім відома анізотропія кристалів. Так, у олівіну в напрямку однієї кристалографічної осі швидкість розповсюдження звуку 9,87 км/сек, а в напрямі іншої – лише 7,73 км/сек. Але в породі окремі кристали орієнтовані хаотично, і можна вважати, що, у середньому, переважних напрямів у зміні фізичних властивостей нічого очікувати, тобто речовина виявиться ізотропною. Саме це припущення тривалий час панувало у сейсмології. Пружні властивості ізотропної речовини представлені лише двома константами – швидкостями поздовжніх та поперечних хвиль. Але якщо речовина анізотропна, то в найбільш складному випадку необхідно знати 21 константу. А тоді на геофізиків чекають великі труднощі…
Американський дослідник С. Хесс, аналізуючи сейсмічні спостереження методом заломлених хвиль у північно-східній частині Тихого океану, зауважив, що у широтному напрямку швидкість сейсмічних хвиль верхньої мантії набагато більша (8,6 км/сек), ніж у меридіональному (8,0 км/сек). Здавалося, анізотропію доведено. Однак пункти спостережень були розкидані великою територією між Каліфорнією і Гавайськими островами і відмінності в швидкостях могли виникнути зовсім з іншої причини – далася взнаки горизонтальна неоднорідність мантійної речовини. І тоді спорядили спеціальну експедицію (Скрипсівський інститут океанографії) для детальних вимірювань швидкостей сейсмічних хвиль на невеликих ділянках біля берегів Каліфорнії та в районі острівної Гавайської дуги.
Використовували один корабель для вибухів та кілька приймальних станцій: два кораблі, понтон «Фліп» та автономні сейсмічні буї. Застосовувалися незвичайні схеми прострілки: вибухи проводилися вздовж хреста профілів, на кінцях яких розташовувалися приймальні станції. Окрім того, джерела вибухів розміщувалися по колу, а реєстратори у центрі. Кожна приймальна станція реєструвала час пробігу поздовжніх сейсмічних хвиль у мантії з різних напрямів. В результаті обробки на комп’ютері кількох тисяч вимірювань було побудовано карти аномалій часу пробігу та графіки залежності сейсмічної швидкості від азимуту.
На двох полігонах біля берегів Каліфорнії різниця між максимальними та мінімальними швидкостями, обумовлена анізотропією, була визначена в 0,27 та 0,36 км/сек, а напрямок хвилі з максимальною швидкістю мав азимути 72 та 81°. У районі Гавайської острівної дуги різниця між максимальною швидкістю в широтному та мінімальною швидкістю в меридіональному напрямках виявилася ще більше — 0,6 км/сек, що становить половину можливої різниці у швидкостях мантії для всієї Землі.
Таким чином, анізотропія швидкостей сейсмічних хвиль у верхній мантії Тихого океану, безумовно, існує! Але яка її причина? Можливо, анізотропія пов’язана з регіональною орієнтацією кристалів олівіну. А це може спостерігатися за всіх глобальних тектонічних механізмів; при дрейфі континентів та «розтягуванні» океанічного дна, при розширенні Землі та конвекційних потоках і т. д. Щоб припущення стали висновками, потрібні нові ретельні дослідження анізотропії у різних районах.
Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка
При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.