Imagens de alta resolução revelam características intrigantes no subsolo

Animação das camadas da terra.

Nova pesquisa liderada pela Universidade de Cambridge é a primeira a obter uma ‘imagem’ detalhada de um bolsão incomum de rocha na camada limite com o núcleo da Terra, cerca de três mil quilômetros abaixo da superfície.

A misteriosa região de rocha, localizada quase diretamente abaixo das ilhas havaianas, é uma das várias regiões de velocidade muito baixa – assim chamada porque as ondas do terremoto diminuem a velocidade ao passar por elas.

Pesquisa publicada na revista em 19 de maio de 2022 Comunicações da Naturezaé o primeiro a revelar em detalhes a complexa assimetria interior de um desses enclaves, lançando luz sobre as profundas paisagens interiores da Terra e os processos que operam dentro delas.

“De todas as características internas profundas da Terra, esta é a mais fascinante e complexa. Agora obtivemos a primeira evidência sólida para mostrar sua estrutura interna – é um verdadeiro marco na sismologia profunda”, disse o principal autor Zhi Li, estudante de doutorado. no Departamento de Ciências da Terra em Cambridge. chão”.

O interior da Terra é formado como uma cebola: no centro está o núcleo de ferro-níquel, cercado por uma espessa camada conhecida como manto, e acima dela uma fina crosta externa – a crosta em que vivemos. Embora o manto seja uma rocha sólida, é quente o suficiente para fluir muito lentamente. As correntes de convecção interna fornecem calor à superfície, causando o movimento das placas tectônicas e alimentando as erupções vulcânicas.

Os cientistas usam ondas sísmicas de terremotos para “ver” o que está abaixo da superfície da Terra – os ecos e sombras dessas ondas revelam imagens semelhantes a radares do interior profundo. Mas até recentemente, “imagens” de estruturas na fronteira núcleo-manto, uma região de interesse primário para estudar o fluxo de calor interno do nosso planeta, eram granuladas e difíceis de interpretar.

Os eventos e trajetórias dos raios Sdiff usados ​​neste estudo. a) Uma seção transversal cortando o centro da região de velocidade ultrabaixa no Havaí, mostrando trajetórias de raios para ondas Sdiff em 96°, 100°, 110° e 120° para o modelo terrestre 1D PREM. As linhas tracejadas de cima para baixo indicam as descontinuidades de 410 km, 660 km e 2.791 km (100 km acima do limite núcleo-manto). b) Eventos e trajetórias de raios Sdiff no modelo de tomografia de fundo SEMUCB_WM1 a uma profundidade de 2791 km. Bolas de praia para eventos pintadas em cores diferentes, incluindo 20100.320 (amarelo), 20111214 (verde), 20120417 (vermelho), 20180910 (roxo), 20180518 (marrom), 20181030 (rosa), 20161122 (cinza), estações (triângulos) , e raios. Trajetórias de ondas Sdiff a uma profundidade de buraco de 2791 km no manto inferior usadas neste estudo. O evento utilizado na análise de curto período está destacado em amarelo. A localização ULVZ proposta é mostrada em um círculo preto. A linha tracejada mostra o corte transversal desenhado em A. Crédito: Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5

Os pesquisadores usaram métodos de modelagem numérica de última geração para detectar estruturas em escala de quilômetros no limite núcleo-manto. De acordo com o co-autor Dr. Kuangdai Leng, que desenvolveu os métodos enquanto[{” attribute=””>University of Oxford, “We are really pushing the limits of modern high-performance computing for elastodynamic simulations, taking advantage of wave symmetries unnoticed or unused before.” Leng, who is currently based at the Science and Technology Facilities Council, says that this means they can improve the resolution of the images by an order of magnitude compared to previous work.

The researchers observed a 40% reduction in the speed of seismic waves traveling at the base of the ultra-low velocity zone beneath Hawaii. This supports existing proposals that the zone contains much more iron than the surrounding rocks – meaning it is denser and more sluggish. “It’s possible that this iron-rich material is a remnant of ancient rocks from Earth’s early history or even that iron might be leaking from the core by an unknown means,” said project lead Dr Sanne Cottaar from Cambridge Earth Sciences.

Conceptual cartoons of the Hawaiian ultra-low velocity zone (ULVZ) structure. A) ULVZ on the core–mantle boundary at the base of the Hawaiian plume (height is not to scale). B) a zoom in of the modeled ULVZ structure, showing interpreted trapped postcursor waves (note that the waves analyzed have horizontal displacement). Credit: Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5

The research could also help scientists understand what sits beneath and gives rise to volcanic chains like the Hawaiian Islands. Scientists have started to notice a correlation between the location of the descriptively-named hotspot volcanoes, which include Hawaii and Iceland, and the ultra-low velocity zones at the base of the mantle. The origin of hotspot volcanoes has been debated, but the most popular theory suggests that plume-like structures bring hot mantle material all the way from the core-mantle boundary to the surface.

With images of the ultra-low velocity zone beneath Hawaii now in hand, the team can also gather rare physical evidence from what is likely the root of the plume feeding Hawaii. Their observation of dense, iron-rich rock beneath Hawaii would support surface observations. “Basalts erupting from Hawaii have anomalous isotope signatures which could either point to either an early-Earth origin or core leaking, it means some of this dense material piled up at the base must be dragged to the surface,” said Cottaar.

More of the core-mantle boundary now needs to be imaged to understand if all surface hotspots have a pocket of dense material at the base. Where and how the core-mantle boundary can be targeted does depend on where earthquakes occur, and where seismometers are installed to record the waves.

The team’s observations add to a growing body of evidence that Earth’s deep interior is just as variable as its surface. “These low-velocity zones are one of the most intricate features we see at extreme depths – if we expand our search, we are likely to see ever-increasing levels of complexity, both structural and chemical, at the core-mantle boundary,” said Li.

They now plan to apply their techniques to enhance the resolution of imaging of other pockets at the core-mantle boundary, as well as mapping new zones. Eventually, they hope to map the geological landscape across the core-mantle boundary and understand its relationship with the dynamics and evolutionary history of our planet.

Reference: “Kilometer-scale structure on the core–mantle boundary near Hawaii” by Zhi Li, Kuangdai Leng, Jennifer Jenkins and Sanne Cottaar, 19 May 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5