Imágenes de alta resolución revelan características confusas en el interior de la Tierra

Animación de capas terrestres.

Un nuevo estudio de la Universidad de Cambridge es el primero en obtener una «imagen» detallada de una roca inusual en el núcleo de la Tierra, a unos 3.000 kilómetros por debajo de la superficie.

El área misteriosa de la roca, ubicada casi directamente debajo de las islas hawaianas, es una de las pocas zonas llamadas de baja velocidad, ya que las ondas sísmicas se arrastran lentamente a través de ellas.

El estudio fue publicado en la revista el 19 de mayo de 2022. Comunicaciones de la naturalezaFue el primero en revelar en detalle la compleja variabilidad interna de uno de estos bolsillos, arrojando luz sobre el paisaje interior profundo de la Tierra y los procesos dentro de él.

«Estas son las más maravillosas y complejas de las características profundas de la tierra. Ahora hemos recibido la primera evidencia sólida para mostrar su estructura interna. «Es un hito real en la sismología profunda», dijo el autor principal Zhi Lin, estudiante graduado de Ciencias de la Tierra de Cambridge.

El interior del país está en capas como una cebolla. En el centro se encuentra el núcleo de hierro-níquel, que está rodeado por una gruesa capa conocida como manto, sobre el cual se encuentra una fina capa exterior, la corteza sobre la que vivimos. El manto es una roca sólida, lo suficientemente caliente como para fluir muy lentamente. Estas corrientes internas de convección suministran calor a la superficie, provocando el movimiento de placas tectónicas, erupciones volcánicas.

Los científicos usan ondas sísmicas para «ver» debajo de la superficie de la Tierra. Los ecos y las sombras de estas ondas revelan imágenes de radar de una topografía interna profunda. Sin embargo, hasta hace poco tiempo, las «imágenes» de estructuras en el borde del manto nuclear, que es un espacio potencial para estudiar el flujo de calor interno de nuestro planeta, eran granulares y difíciles de interpretar.

Eventos և Vías de rayos Sdiff utilizadas en este estudio. A) La intersección que cruza el centro de la banda de ultra baja velocidad de Hawai, que muestra las trayectorias radiales de las ondas de Siddiff a 96 °, 100 °, 110 ° և 120 ° para la Tierra 1D PREM. Las líneas trazadas de arriba a abajo indican 410 km, la brecha de 660 km es de 2791 km (100 km por encima del límite entre el núcleo y el manto). B) Eventos և Trayectorias de rayos Sdiff en el modelo de tomografía de fondo SEMUCB_WM1 a una profundidad de 2791 km. Las pelotas de playa de los eventos están dibujadas en diferentes colores, incluyendo 20100320 (amarillo), 20111214 (verde), 20120417 (rojo), 20180910 (morado), 20180518 (marrón), 20181030 (rosa), 2016112 (rosa), 2016112 ( rosa) Las trayectorias de las ondas de Siddif en el manto inferior a una profundidad de 2791 km utilizadas en este estudio. El evento utilizado en el análisis a corto plazo está resaltado en amarillo. La ubicación ULVZ sugerida se muestra en este cuadro. La línea discontinua muestra la intersección marcada A. Préstamo: Nature Communications, DOI: 10.1038 / s41467-022-30502-5

Los investigadores han utilizado las últimas técnicas de modelado digital para detectar kilómetros de estructuras en el límite manto-manto. Según el coautor Dr. Guangdai Leng, quien desarrolló los métodos cuando trabajaba[{» 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