Ogromne “kontynenty” w głębinach Ziemi. Odkrycie podważa teorie geologiczne

Od lat uważano, że niższe partie płaszcza Ziemi (warstwy o grubości ok. 2900 km. leżącej między skorupą a jądrem naszej planety) charakteryzują się wysoką płynnością. Jednak nowe wyniki pokazują coś zupełnie innego: w miejscach, w których sejsmolodzy zaobserwowali wyraźne zwolnienie fal biegnących przez położone głęboko skały (LLSVP, czyli Large Low Seismic Velocity Provinces), fale sejsmiczne zachowują się zupełnie inaczej, niż oczekiwano. Geolog Arwen Deuss mówi w tym kontekście o „Ziemi dzwoniącej jak olbrzymi dzwon” w trakcie trzęsień ziemi, co pozwala rejestrować oscylacje wnętrza planety i identyfikować anomalie w jego strukturze.

Wnętrze naszej planety jest niczym warstwowy tort. Najbardziej zewnętrzną warstwą jest skorupa – stosunkowo cienka i chłodna „skóra” Ziemi, na której toczy się nasze życie. Niżej rozciąga się płaszcz – niezwykle rozległy obszar gorących skał, częściowo plastyczny, dzięki czemu powstają zjawiska tektoniczne, takie jak ruchy płyt kontynentalnych czy wulkanizm. Jeszcze głębiej czeka na nas jądro: zewnętrzne – płynne i zawierające głównie żelazo z domieszką niklu, oraz wewnętrzne – solidne jak metalowa kula, będące pod gigantycznym ciśnieniem i temperaturą przekraczającą 5000°C.

Jak jednak zajrzeć tak głęboko bez przekopywania się przez tysiące kilometrów skorupy i płaszcza? Tutaj z pomocą przychodzą fale sejsmiczne – drgania powstające w momencie trzęsień ziemi lub eksplozji. Rozchodzą się one w różnych kierunkach przez całą planetę, a ich prędkość i droga zależą od rodzaju skał oraz temperatury. Dzięki temu naukowcy, niczym radiolodzy w szpitalu, analizują odbicia i załamania tych fal, tworząc „obrazowanie” geofizyczne wnętrza Ziemi. Ta metoda pozwala poznać nie tylko strukturę i skład kolejnych warstw, lecz także wykrywać potencjalnie niebezpieczne strefy subdukcji, wulkany czy obszary o wyjątkowej aktywności termicznej.

Analiza sygnałów pochodzących z trzęsień ziemi koncentruje się na dwóch aspektach: prędkości i tłumieniu (tzw. damping) fal sejsmicznych. W przypadku LLSVP potwierdzono obecność podwyższonej temperatury skał, ale jednocześnie, wbrew oczekiwaniom, fale nie tracą energii tak szybko, jak powinny. To zupełnie zaskoczyło badaczy. Badacze podejrzewają, że te struktury mają zupełnie inną strukturę, niż pozostałe obszary płaszcza ziemi, co może jednocześnie chronić je same przed zniszczeniem. Potencjalnie, LLSVP byłyby w stanie przetrwać w głębinach nawet pół miliarda lat, a może o wiele dłużej, bo odporność i lepkość budujących je minerałów czynią je swoistymi „sztywnymi wyspami” pośród płynniejszego otoczenia.

Niemniej fascynująca dla naukowców jest warstwa „cmentarzyska płyt tektonicznych” otaczająca te wielkie „wyspy”. Według badaczy, to właśnie tam dochodzi do wyjątkowo silnego tłumienia fal – wyższego, niż w regionach LLSVP, co sugeruje, że zanurzone głęboko „zimne” pozostałości starych płyt mają znacznie drobniejszą strukturę ziaren mineralnych. Taki widok płaszcza – z wielkimi stabilnymi regionami i otaczającymi je fragmentami dawnych płyt, które z powierzchni zostały wtłoczone na głębokość nawet 1500 km. pod powierzchnię Ziemi – zdecydowanie różni się od obowiązującego dotąd modelu, w którym cały płaszcz to w zasadzie jednorodne środowisko.

To coś więcej, niż tylko naukowa ciekawostka. Lepsze zrozumienie tego, jak zbudowane są głębsze warstwy naszej planety może pozwolić nam dokładniej badać m.in. procesy wulkaniczne, tektonikę płyt i kształtowanie się łańcuchów górskich. Część badaczy przypuszcza, że wzdłuż krawędzi tych subkontynentów formują się pióropusze – kolumny gorącej materii wędrujące ku powierzchni. Kiedy dotrą bliżej litosfery, mogą prowadzić do nasilonej aktywności wulkanicznej. Dlatego zrozumienie stabilności LLSVP pozwala lepiej wyjaśnić mechanizm powstawania niektórych wulkanów w rejonach Pacyfiku i Afryki.

Geofizycy wskazują, że dalsze prace nad tym zjawiskiem pozwolą ocenić, na ile dzisiejsze kontynenty i baseny oceaniczne wzięły swój początek od procesów związanych z LLSVP. Istnieją hipotezy, według których te głębokie, masywne formacje mogły przetrwać niemal nienaruszone od czasów, gdy Ziemia dopiero się formowała. Może to być „rezerwuar materiału pierwotnego” – obszar, w którym zachowała się część najstarszych minerałów, sięgających okresu tuż po ukształtowaniu się planety. Jeśli okaże się to prawdą, LLSVP staną się nieocenionym źródłem wiedzy o wczesnych etapach historii Ziemi.

Szczególnie ważne jest też prześledzenie, w jakim stopniu takie „supertwarde wyspy” wpływają na globalny obieg ciepła we wnętrzu planety. Zgodnie z modelem prezentowanym przez autorów publikacji naukowych, wysokie temperatury LLSVP mają stosunkowo niewielki wpływ na otaczający płaszcz, bo duży rozmiar ziaren mineralnych w tworzących je skałach utrudnia mieszanie się materii. Jednocześnie otaczające je chłodniejsze „cmentarzysko płyt” może systematycznie oddawać zawarte tam fragmenty skorupy – niektóre prawdopodobnie przenikają aż do stref tuż nad jądrem Ziemi.

Naukowcy przewidują, że wyniki nowych pomiarów wpłyną na liczne gałęzie geofizyki i geochemii. Jeśli starożytne skały, tworzące pierwotną Ziemię rzeczywiście przetrwały w postaci “subkontynentów” tysiące kilometrów pod nami, możemy próbować wykryć ich ślady. Mogą one bowiem pojawiać się w niektórych lawach wydobywających się na powierzchnię planety. To z kolei może przybliżyć specjalistów do zrozumienia, w jakim stopniu współczesne wulkany w sobie zapis prastarych procesów sprzed miliardów lat.

Prace zespołów z Holandii oraz innych ośrodków badawczych sugerują, że choć płaszcz Ziemi prowadzi intensywną wymianę ciepła i materii, wcale nie musi być jednolitą, szybko przetwarzaną warstwą. Istnienie potężnych, trudnych do „przepchnięcia” subkontynentów może być równie ważnym czynnikiem w kształtowaniu układu płyt tektonicznych. Właśnie dlatego – jak podkreślają autorzy – konieczne będzie skorygowanie aktualnych modeli geologicznych. Zdaniem badaczy, to początek nowego spojrzenia na dynamikę planety.