Сейсмическая томография высокого разрешения показала, что структура области на границе ядра и мантии неоднородна и характеризуется пониженной скоростью распространения сейсмических волн. Самый нижний слой этой области приводит к еще большему замедлению волн по сравнению с остальной зоной сверхнизких скоростей. Возможно, это явление обусловлено «растворением» земного ядра в области границы мантии.
Земная мантия — представляет собой увлекательную и недостаточно изученную часть земной коры, расположенную между литосферной оболочкой и металлическим ядром. Утверждение о том, что под земной корой находится однородный слой горных пород, не соответствует действительности: мантия состоит из нескольких слоев, каждый из которых характеризуется уникальными свойствами и неоднородностями. Первоначально мантия была сложена ультраосновными силикатными и алюмосиликатными породами, такими как оливин, пироксен, плагиоклаз и продукты их трансформации высоким давлением.
Мантия находится в состоянии вязкопластичной конвекции : в течение десятков миллионов лет происходят масштабные перемешивания огромных объемов горных пород. Конвективные потоки, перенося тепло от раскаленного ядра к поверхности, проходят через все слои мантии, изменяя свой состав и свойства в процессе взаимодействия со всеми структурами, встречающимися по пути, включая, например, остатки литосферных плит, погружающиеся в нее субдукции.
Наши представления о строении мантии основаны на результатах сейсмических исследований. Сейсмические волны изменяют свое направление при столкновении с различными слоями мантии, а последовательность волн, зафиксированная на удалении от эпицентра землетрясения, содержит сведения о тех структурах, через которые они прошли.
В нижней части мантии сейсмологи обнаружили аномальные образования, которые получили название крупные области с пониженной скоростью сдвига (и области с низкой скоростью распространения волн среза, а также зоны ультранизкой скорости).
Природа аномалий до сих пор не установлена, однако предположительные причины их появления могут быть как внутренними, так и внешними. Данные области могут служить мантийных плюмов или «кладбищами» литосферных плит, которые погрузились на самое дно мантии, а могут быть продуктом взаимодействия земного ядра с мантией или даже фрагментами мантии протопланеты Тейи, столкновение с каким-либо объектом, вероятно, стало причиной образования Луны. Высокая плотность горных пород в зонах с пониженной скоростью вращения указывает на то, что первые две гипотезы маловероятны, а последние две — более правдоподобны.
Согласно недавнему исследованию, проведенному учеными из Кембриджского университета под руководством Чжи Ли) « рассмотрели» области сверхнизкой скорости с беспрецедентным пространственным разрешением, составляющим всего несколько километров. Для этого исследователи фиксировали сейсмограммы землетрясений, волны которых проходили через зоны пониженной скорости «по касательной» и демонстрировали максимальное отклонение, а затем выполняли компьютерное моделирование распространения исходных волн в земных недрах. Оригинальная статья с описанием исследования находится в открытом доступе.
Для достижения соответствия смоделированных сейсмограмм с фактическими измерениями, исследователи корректировали форму и характеристики неоднородности в мантии, что позволило им восстановить структуру неоднородности и определить ее свойства.
Анализ показал, что наиболее подходящими для моделей являются плоские структуры, напоминающие «блины», с шириной в сотни километров и толщиной в десятки километров. В таких областях скорость низкочастотных волн, отражающих крупномасштабную структуру, снижается на 20%, а высокочастотных, реагирующих на незначительные неоднородности, — на 40%.
Волны при этом отклоняются преломлением в сторону центра Земли, причем высокочастотные волны испытывают большее отклонение, чем низкочастотные. Это объясняется слоистой структурой: вероятно, в области сверхнизкой скорости, где сейсмические волны и без того замедляются, присутствует нижний слой, толщиной в несколько километров, где скорость волн снижается еще больше.
Авторы исследования не делают однозначных заключений относительно природы исследованных областей, однако предполагают, что они сформировались в результате внутренних процессов. Они отмечают, что значительная плотность этих пород, вероятно, обусловлена повышенным содержанием железа, которое в горных породах замещает более легкий магний).
Мантия Тейи, небесного тела меньшего размера и сложности по сравнению с Землей, вероятно, содержала железо, однако ее обломками нельзя объяснить внезапное снижение скорости волн в самом нижнем и крайне тонком слое неоднородности.
Более подходящим представляется термин «растворение» земного ядра: металлическое железо может окисляться на его границе, становясь частью горных пород, и, таким образом, самый нижний слой горных пород будет содержать наибольшее количество железа. Измеренные изотопные аномалии в лаве гавайских вулканов, расположенных на расстоянии 2900 километров над исследуемой зоной и связанных с ней мантийным плюмом, также могут служить подтверждением этого.