Budowa i dynamika wnętrza Ziemi w świetle najnowszych badań Adam M. Dziewoński Harvard University Jestem zaszczycony że Jego Magnificencja Rektor i Senat Akademii Górniczo-Hutniczej zaprosili mnie na uroczystość 90-lecia Akademii. Jest mi bardzo miło, że mam możliwość wystąpić przed tak dostojnym gronem słuchaczy, szczególnie że mówię o przedmiocie mojego wielkiego zainteresowania w całym moim życiu zawodowym. Głębokie wnętrze Ziemi jest dostępne jedynie przez badania pośrednie, najbardziej efektywni falami sprężystymi, ze względu na ich potężne źródła w postaci trzęsień Ziemi oraz ze względu na stosunkowo niskie tłumienie. Postęp w ostatnich dekadach jest głównie związany z rozwojem trójwymiarowych modeli prędkości fal sejsmicznych. Należy podkreślić polepszenie rozdzielczości modeli, wydaje się , że największa tajemnica związana jest z silną, bardzo długofalową strukturą na głębokości 1000 km płaszcza . Tak, jak słoń, jest ona tak duża, że i ona i jej znaczenie było niezauważalne do tej pory. 90-lecie AGH, 29 maja 2009

Wnętrze Ziemi, ok. 1665 r. Ludzie od dawna byli zafascynowani pytaniem, co znajduje się we wnętrzu Ziemi? Ten rysunek został zrobiony przez mnicha austriackiego – Kirchera, około 350 lat temu. Rysunek ten pokazuje źródło magmy wulkanicznej i wody. Można dyskutować, czy to Kircher przewidział, że Ziemia ma ciekłe jądro!

“stare” i “nowe” 1-D modele Ziemi Pierwsze 75 lat dwudziestego stulecia doprowadziło do udoskonalanych jednowymiarowych modeli Ziemi. Modele po lewej stronie były rozwijane przez Harolda Jeffreysa i Beno Gutenberga w latach trzydziestych dwudziestego wieku. Model po prawej stronie to PREM, typowy dla współczesnych uśrednionych modeli Ziemi; ważne zmiany widać w szczegółach struktury górnego płaszcza (obrazujących zmiany fazowe), modelowanie zmian gęstości, ograniczone przez obserwacje swobodnych drgań Ziemi oraz skończoną prędkość fali poprzecznej w wewnętrznym jądrze.

Tektonika płyt – ok. 1960 r. Rozwój teorii tektoniki płyt w latach sześćdziesiątych dwudziestego wieku pozostawił pytanie bez odpowiedzi: jakie siły są przyczyną ruchów na powierzchni? Wielu badaczy zgodzilo się, że przyczyną musi być konwekcja ciepła, ale ani jej głębokość, ani skala nie zostały określone.

Który z nich? Dwa krańcowe spośród modeli konwekcji pokazane są na tym rysunku. Po lewej stronie mamy tzw. pełną konwekcję w płaszczu, w której strumień nie jest przerwany na nieciągłości 650 km, czyli na granicy górnego i dolnego płaszcza. Model po prawej stronie pokazuje rozdział pomiędzy górnym i dolnym płaszczem. Większość badaczy zajmujących się konwekcją w płaszczu wybiera model po lewej stronie. Geochemicy, wolą model po prawej stronie, który jest zgodny z ideą rozdzielonych części płaszcza. Możliwy jest także model pośredni, będący kompromisem między tymi dwoma ogniwami. Wydaje się w chwili obecnej, że tomografia sejsmiczna będzie zdolna rozwiązać ten problem. Skala konwekcji w płaszczu jest ciągle przedmiotem dyskusji. Ważne: czy strumienie górnego i dolnego płaszcza są połączone, czy rozdzielone, w strefie nieciągłości na głębokości 650 km?

Wnętrze Ziemi, ok. 2005 from E. Garnero’s collection Dyskusja jest daleka od zakończenia! Ten zbiór rysunków, częściowo wzięty z podręczników, częściowo zaczerpnięty z prac naukowych ilustruje różnorodność możliwych scenariuszy przepływu materii wewnątrz Ziemi. from E. Garnero’s collection

Zasada tomografii Mając do dyspozycji dużą liczbę przecinających się trajektorii możliwe jest określenie prędkości fal sejsmicznych nie tylko w funkcji głębokości ale także w dwóch lub nawet trzech wymiarach. Korzystając z tomografii sejsmicznej próbujemy znaleźć ostateczną postać trójwymiarowej struktury, która pozwoli wyjaśnić anomalie czasu przejścia fal na różnych przecinających się trajektoriach między wieloma źródłami i odbiornikami.

W globalnej tomografii możliwe (a nawet wskazane) Wykorzystywanie różnorodnych danych sejsmicznych pomaga wyjaśnić i anomalie na różnych głębokościach. W globalnej tomografii możliwe (a nawet wskazane) jest wykorzystanie różnych fal, nie tylko P i S

Głebokościowa rozdzielczość różnych zbiorów danych Moho CMB 650 km Ten rysunek pokazuje, jak wykorzystanie różnych podzbiorów danych może pomóc w rozpoznaniu struktur w różnych przedziałach głębokościowych, czerwone – dobra rozdzielczość, niebieskie – słaba. W ten sposób dane z fal powierzchniowych mogą być przydatne w rozpoznaniu stosunkowo płytkich struktur w górnym płaszczu. Fale powierzchniowe są pomocne w strefie przejściowej, a czas przejścia fal telesejsmicznych pomaga w rozpoznaniu struktury dolnego płaszcza. Zbiór połączonych danych daje dobrą rozdzielczość na wszystkich głębokościach. Kustowski et al., 2008, zmienione

Model M84C; głębokość 100 km Woodhouse and Dziewoński, 1984 Wczesne modele tomograficzne miały stosunkowo niską rozdzielczość, ale okazało się, że uchwyciły one najważniejsze cechy. Ta mapa, która ma 25 lat, pokazuje anomalie prędkości fal poprzecznych na głębokości 100 km; w zakresie +/-5%. Na ile mapa pozwala przewidzieć – prędkości grzbietów śródoceanicznych są powolne (czerwony kolor), a stara oceaniczna litosfera jest szybka (kolor niebieski), ponieważ ona miała czas na ostygnięcie. Kratony kontynentalne są szybkie, obszary aktywne tektonicznie są umiarkowanie powolne. Mapa przekonuje, że tomografia może rzeczywiście rozwiązać problem nierozpoznanych struktur: nie było danych a priori na brzegach płyt lub liniach brzegowych. Woodhouse and Dziewoński, 1984

Model L56.02 prędkości fali P (2500 km) Model na wielkiej głębokości (2500 km) był olbrzymią niespodzianką. Zaobserwowaliśmy megastrukturę składającą się z dwóch regionów „powolnych” (czasem nazywanych super pióropuszami), oddzielonych wielką okołopacyficzną strefą prędkości wyższych niż średnie. Znaczenie tej struktury (tego słonia) zostało pominięte i dopiero teraz jest ona rozpatrywana. Dziewoński, 1984

Pełny pierwszy obraz wnętrza Ziemi uzyskano w 1986 r. Około 1986 r. nasza grupa y w Harvardzie ukończyła pierwsze opracowanie własności aż do środka Ziemi. Oprócz trójwymiarowych modeli prędkości fal podłużnych i poprzecznych przedstawiliśmy tomograficzny obraz granicy jądro-płaszcz oraz odkryliśmy anizotropię jadra wewnętrznego. Dziewonski and Woodhouse, 1987

Topografia granicy jądro-płaszcz Morelli & Dziewonski, 1987 Ukształtowanie (topografia) granicy jądro-płaszcz pokazuje zmiany wysokości rzędu kilku kilometrów, depresje są związane ze strefami szybkich anomalii, a podniesienia – z anomaliami o niskich prędkościach. Trzy mapy pokazują wyniki uzyskane na podstawie różnych danych; one potwierdzają poprawność uzyskanych wyników. Interpretacja depresji i podniesień opiera się na odpowiedzi Ziemi, która jest ciałem o określonej lepkości, na wewnętrzne obciążenia. Morelli & Dziewonski, 1987

Wewnętrzna część jądra wewnętrznego Ziemi W roku 1986 odkryto, że jądro wewnętrzne jest anizotropowe, o nieznanej przyczynie. W roku 2002 zaproponowano wyjaśnienie: w środku jądra wewnętrznego jest jeszcze jedno wewnętrzne jądro o promieniu zaledwie 300 km. Wydaje się, że bardzo mała kula (czerwona) w centrum Ziemi, która stanowi 1/10 000 część objętości Ziemi, ma inne własności sprężyste niż reszta jądra wewnętrznego (kolor różowy). Przyczyna tej anomalii nie jest jeszcze rozpoznana, ale może być ona związana ze zmianą w strumieniu geodynama w jądrze zewnętrznym, promień stałego wewnętrznego jądra przekracza 300 km.

równikowe Przekroje 1997 1984 2,500 parms 245 parms 1997 1999 250,000 Modele prezentowane przez grupy różnych badaczy wykazują istotne różnice. Różnice te związane są z parametryzacją, ograniczeniem rozwiązań, różnymi stosowanymi danymi. Ten rysunek pokazuje, że wzrost liczby parametrów opisujących model niekoniecznie prowadzi do lepszego modelu. 1999 25,000 parms 1997 250,000 parms

Najnowszy model prędkości fali S Najnowszy model prędkości fal poprzecznych, uzyskany przez Bogdana Kustowskiego, absolwenta AGH, jest przykładem zbieżnych modeli tomograficznych. Centralna część pokazuje widmo mocy jako funkcję głębokości oraz liczby falowej (odwrotności długości fali). Czerwony kolor wskazuje wysoką wartość widma mocy, niebieski – niską. Sześć map ilustruje anomalie prędkości na różnych głębokościach. Obserwuje się trzy obszary z podwyższonymi anomaliami: płytkie głębokości – odzwierciedlające tektonikę na powierzchni, strefa przejściowa – ukazująca, że materiał subdukowany ) podlega stabilizacji w tym rejonie oraz spąg płaszcza, gdzie anomalie ukazują znacznie większe długości fal. Kustowski et al., 2008

Harvard Caltech Berkeley Głębokość 600 km Głębokość 800 km Porównanie map uzyskanych przez trzy różne grupy badawcze ukazuje znaczne zmiany anomalii w strefie przejściowej (na głębokości 600 km) oraz w stropie dolnego płaszcza (800 km). Widma mocy są także zróżnicowane, ukazując że przepływ materiału przez strefę nieciągłości na głębokości 650 km jest wyraźnie utrudniony.

Porównanie czterech różnych modeli na głębokości 2800 km (90 km powyżej granicy jądro-płaszcz). One wszystkie pokazują podobną strukturę, z pierścieniem wysokich prędkości opasującym Ocean Spokojny (niebieski) i dwoma dużymi obszarami niskiej prędkości (pomarańczowy) – wskazując, że ta mega-struktura jest rozpoznana bez żadnych wątpliwości.

Wielki pióropusz Pacyfiku Widok wielkiego pióropusza Oto trójwymiarowy obraz wspaniałego pióropusza Pacyfiku, otoczony przez okołobiegunowy pierścień wysokich prędkości. Powierzchnie o jednakowej prędkości odpowiadają anomalii +/- 0.6%. Pozostaje pytanie, jakie jest znaczenie tej struktury z punktu widzenia tektoniki płyt? Widok wielkiego pióropusza Pacyfiku oraz pierścienia stref o dużych prędkościach

Slaby na różnych głębokościach 72 km 362 km Slaby na różnych głębokościach 652 km 942 km 1377 km W latach 90. ubiegłego wieku próbowano wyjaśnić obserwowane anomalie prędkości subdukcją zimnych płyt litosferycznych. W szczególności, Lithgow-Bertelloni i Richards (1988) przedstawili model, w którym umieścili płyty określonego wieku na zadanych głębokościach, przyjmując prędkości, z którymi płyty te się pogrążały się.. Slaby płyt w ostatniej warstwie miały takie własności, jakby subdukowały 110 milionów lat temu. 2102 km From Lithgow-Bertelloni And Richards (1998) j 2827 km

Widmo mocy prędkości slabów Velocities at 2800 km Czy jest powiązanie między tym modelem slabów i anomaliami prędkości? Odpowiedź nie jest jednoznaczna. Widmo mocy anomalii prędkości na głębokości 2800 km jest porównywalne z tym, które odpowiada wszystkim slabom płyt subdukowanym w ostatnich 110 Ma. Widmo anomalii prędkości ma silne maksimum dla 2 stopni (długość fali 2000 km na powierzchni), słabszy pik dla 3 stopni, a wszystkie pozostałe stopnie (długości fal) mają widma mocy o rząd wielkości mniejsze, niż anomalia odpowiadająca 2 stopniom. All slabs

Cały płaszcz Stopnie - 1-18 Tylko 2 stopnie Teraz porównamy anomalie prędkości blisko granicy jądro-płaszcz (u góry) z mapą „wszystkie slaby” (na dole). Po lewej stronie mamy kompletne mapy, na prawej jedynie składową 2 stopnie. Mapy całkowite są całkiem różne, anomalia od slabupłyty jest wąska i nie zawiera silnej składowej ujemnej. Jeszcze, jeśli składowe 2 stopnia są porównywane, mapy stają się podobne. Co to znaczy? Nasza interpretacja, która ciągle wymaga poparcia ilościowego wynikami geodynamicznego modelowania, jest taka, że ogólna powierzchniowa tektonika jest rządzona przez mega-strukturę w spągu płaszcza. Pamiętajmy, że sygnał od slabu zawiera w sobie historię ostatnich 110 Ma, oraz że slaby tego wieku powinny obecnie zbliżać się do granicy jądro-płaszcz. Rejestracje sejsmiczne pokazały, że obecna struktura granicy jądro-płaszcz już ma w sobie sygnał od slabów. To oznacza, że nasza mega-struktura już istnieje od 110 Ma i jest bardzo stabilna.

Model kwadrupolowy konwekcji Sygnał 2 stopnia blisko granicy jądro-płaszcz ma kształt sygnału 2 stopnia od konwekcji dolnego płaszcza przy proponowanej przez Busse (1983). Jest to specjalny stopień 2 z osią symetrii w płaszczyźnie równika. Gorący materiał płynie w stronę zimnego okołobiegunowego pasa. Wszystkie strefy subdukcji na powierzchni w ciągu ostatnich 110 mln lat leżały w obrębie pasa niebieskiego. Gorące regiony są w koincydencji z wysokościami geoidy, a taka konfiguracja jest zgodna z obrotem Ziemi wokół osi o maksymalnym momencie bezwładności, co oznacza stabilną mechanicznie konstrukcję. Busse, 1983

Najniższy płaszcz: prędkość Strefa przejściowa: tłumienie Gung i Romanowicz (2004) zwrócili uwagę, że wzorzec prędkości 2 stopnie w dolnym płaszczu jest bardzo podobny do wzorca tłumienia fal sejsmicznych w strefie przejściowej. Tłumienie jest bardziej czułe na zmiany temperatury niż prędkość, zatem tłumienie w strefie przejściowej może wskazywać na efekt grzania danego obszaru przez mega-pióropusz w dolnym płaszczu. to czyni mega-pióropusze przyczyną tektoniki powierzchniowej. Oto dlaczego nazywamy tą hipotezę „tektonika spód do góry”.

Wielki pióropusz Pacyfiku EPR Ten obrazek pokazuje, jak super-pióropusz Pacyfiku może ciągnąć płyty Pacyfiku i Nazca i jak plamy-gorąca mogą być kreowane w strefie przejściowej. Transport slabów płyt obejmuje ich stagnację w strefie przejściowej, możliwą recyrkulację części materiału w górnym płaszczu oraz opadanie resztek materiału raczej w postaci lawin niż ciągłego osadzania. Jest to na razie robocza hipoteza, która powinna być testowana poprzez budowę odpowiednich geodynamicznych modeli, które także powinny zawierać elementy fizyki minerałów oraz ich geochemię. Struktura 2 stopnie jest największą strukturą Ziemi, nie możemy powiedzieć, że wiemy, co dzieje się z Ziemią dopóki jej nie rozpoznamy.