Проривне дослідження надало найдетальніший на сьогодні 3D-огляд внутрішньої структури зони субдукції Тонга, де найшвидші тектонічні плити Землі змінюють структуру земної кори. Використовуючи інноваційні сейсмічні методи, дослідники створили карту глибоких мантійних потоків, розкриваючи взаємодію розплавленої породи із зануреними літосферними плитами та її вплив на вулканічну активність і рух плит.
Дослідження мантійної динаміки в зоні субдукції Тонга
Проривне дослідження, опубліковане в провідному китайському журналі Geoscience, дало нові уявлення про динаміку мантії під зоною субдукції Тонга. Дослідники з Океанічного університету Китаю та Університету Тохоку (Японія) використали передові сейсмічні методи для створення детальної 3D-моделі мантійного потоку, взаємодії мантійного плюму та субдукованих плит, а також активності в басейні задньої дуги. Їхні висновки допомагають вирішити давні суперечки щодо роботи цих глибинних процесів Землі.
Сейсмічні дані: висока роздільна здатність моделювання мантії
Команда проаналізувала 150 219 вимірювань амплітуди та фази сейсмічних хвиль від 1 088 віддалених землетрусів (телесейсмічних подій), зафіксованих 110 сейсмічними станціями, включаючи як наземні, так і підводні сенсори в басейні Лау та навколишніх регіонах. Використовуючи хвилі Релея в діапазоні періодів 20–150 секунд, вчені застосували метод азимутальної анізотропної томографії, що дозволяє виявляти напрямні варіації швидкості сейсмічних хвиль через орієнтацію мінералів у породах мантії.
Цей підхід дозволив створити високоточну 3D-модель сейсмічних швидкостей на глибину до 300 км під поверхнею. Проведені тести підтвердили точність моделі, з бічною роздільною здатністю близько 150 км і вертикальною роздільною здатністю 50–75 км на глибинах до 150 км, що забезпечує надійний просторовий аналіз.
Основні відкриття: потоки мантії та взаємодія плити з плюмом
Ключові результати дослідження свідчать, що матеріал мантійного плюму Самоа надходить у басейн Лау на глибинах до 50 км через асиметричне відступання (rollback) субдукованої Тихоокеанської плити. Цей мілководний потік узгоджується з геохімічними даними, що свідчать про плюмне походження магми в північних вулканічних зонах басейну. Дослідження також визначило відмінності в мантійних потоках у різних частинах басейну Лау:
- У швидко розширюваній північній частині басейну потоки спрямовані із заходу на схід.
- У повільнішій південній частині домінує рух з півночі на південь, що відображає адаптацію мантії до нерівномірного відступання субдукованої плити.
У межах зануреної плити:
- На мілких глибинах (<150 км) швидкі напрями зсувних хвиль (N-S) пов’язані з нормальними розломами, спричиненими вигином плити.
- На більших глибинах спостерігається анізотропія, перпендикулярна до жолоба, що вказує на зміну орієнтації напружень.
Крім того, у зовнішній мантії перед жолобом виявлено мантійний потік, паралельний субдукційному жолобу. Його стискання через відступання плити кидає виклик традиційним моделям циркуляції мантії у зонах субдукції.
Зона субдукції Тонга: природна лабораторія геодинаміки
Зона субдукції Тонга є унікальним об’єктом для дослідження взаємодії плит і мантії, оскільки тут фіксуються найшвидші у світі темпи конвергенції плит (~24 см/рік) та розширення басейну задньої дуги. Це дослідження об’єднало попередні ізотропні та анізотропні моделі, вперше створивши цілісну 3D-картину зв’язку між мантійною динамікою та тектонікою поверхні.
Використання азимутально змінних хвиль поверхні разом із багатомасштабною томографією стало методологічним проривом, що поєднує геофізичні спостереження з геохімічними доказами. Це допомогло уточнити механізми руху мантійних потоків, взаємодії плюмів із плитами та формування басейнів задньої дуги. Отримані результати не лише поглиблюють розуміння процесів субдукції, а й можуть бути використані для вивчення інших складних систем, таких як Маріанський і Ідзу-Бонінський дугові комплекси, де також взаємодіють мантійні плюми та субдуковані плити.
Наслідки: розвиток сейсмічної візуалізації та геодинамічних моделей
Це дослідження демонструє революційний потенціал високоточної сейсмічної візуалізації у вивченні процесів Землі. Основні висновки підкреслюють важливість міжнародної співпраці у вирішенні геодинамічних питань, надаючи цінні дані для прогнозування природних катастроф та вдосконалення моделей планетарного масштабу. Розкриваючи приховані сили, що формують внутрішню будову Землі, ця робота є зразковим прикладом того, як сучасна сейсмологія допомагає зрозуміти складні взаємодії між тектонічними плитами та мантійною конвекцією — основою сучасної геонауки.
