Землетрясения в континентальной мантии стали более распространены, чем регистрировалось ранее
Новое исследование, опубликованное в научном журнале Science, представляет самую обширную на сегодняшний день глобальную картину сейсмических событий, зарождающихся в континентальной мантии Земли. Эти землетрясения происходят глубоко под земной корой, но вне традиционных зон субдукции, где одна тектоническая плита погружается под другую. На протяжении десятилетий такие события считались редкими и сложными для однозначной идентификации, поскольку стандартные каталоги землетрясений часто содержат неточные данные об их глубине. Новый анализ показывает, что эти глубинные континентальные события не являются изолированными аномалиями. Исследователи идентифицировали 459 мантийных землетрясений, начиная с 1990 года, в самых различных тектонических условиях.
В основу работы легли данные о более чем 46 тысячах континентальных землетрясений, зарегистрированных с 1990 года. Из этого исходного массива 10 770 событий соответствовали строгим критериям качества для проведения сравнительного анализа сейсмических волн. Это позволило научной группе определить, зародилось ли каждое конкретное землетрясение в коре или в мантии. Авторы работы решили давнюю проблему глобальной сейсмологии. Определение глубины очага землетрясения по стандартным каталогам часто ненадёжно, поскольку многим событиям автоматически присваиваются условные значения, такие как 10, 30 или 33 километра. Эти присвоенные цифры зачастую маскируют истинную глубину и препятствуют точной классификации.
Чтобы обойти эту проблему, исследователи применили метод, основанный на соотношении двух типов сейсмических волн, известных как Sn и Lg. Обе волны распространяются на региональные расстояния, но волна Sn проходит преимущественно через мантию, а волна Lg — через земную кору. Для землетрясений, очаг которых находится в мантии, характерна более выраженная энергия волны Sn по сравнению с Lg. Для коровых землетрясений картина обратная. Сравнивая каждое изучаемое землетрясение с несколькими близлежащими сейсмическими событиями, записанными на пяти или более одинаковых станциях, учёные могли определить, соответствует ли картина распределения энергии мантийному источнику. Этот метод не требует точного измерения глубины, вместо этого он использует физические различия в распространении сейсмических волн через различные слои Земли.
Результаты показывают, что на долю мантийных землетрясений приходится от трёх до четырёх процентов континентальной сейсмичности. Хотя они остаются менее частыми, чем коровые события, они происходят в большем количестве регионов, чем предполагалось ранее. Составленная в ходе исследования глобальная карта выявляет скопления мантийных землетрясений в Европе, Азии, Африке, Северной Америке и Австралии. Эти кластеры часто появляются в регионах с известной коровой сейсмичностью, что обеспечивает необходимый материал для сравнения по методу Sn/Lg. Некоторые скопления обнаружены в областях, где ранее считалось, что происходят только коровые землетрясения.
Одним из наиболее примечательных регионов является Альпийско-Гималайский сейсмический пояс. Исследователи выявили параллельные полосы мантийных землетрясений под Апеннинами в Италии, а также под Динаридами и Эленидами. Более ранние интерпретации предполагали, что в этих областях может существовать мантийная сейсмичность, связанная с движением микроплиты Адрия. Предыдущие исследования отвергали многие из этих событий именно из-за неопределённости в определении глубины. Новый метод анализа амплитуд волн подтверждает их мантийную природу и устанавливает непрерывную картину их распределения вдоль этого участка пояса.
Регион Вранча в Румынии, уже известный своей глубокой сейсмической активностью, содержит двадцать два мантийных землетрясения в верхней части своей глубокой сейсмической зоны. Исследователи также идентифицировали мантийные землетрясения под Кавказом и по обеим сторонам Каспийского моря. Ранее высказывались предположения, что только центральный и восточный Кавказ характеризуются мантийной сейсмичностью. Новое исследование подтверждает эту модель, а также выявляет мантийные землетрясения под горами Загрос в южном Иране — область, где предыдущие поиски не обнаруживали глубинных континентальных событий.
В Восточной Азии Тибетское нагорье демонстрирует один из самых сильных контрастов. Внутренняя часть нагорья показывает очень мало мантийных землетрясений. Однако окраины, окружающие нагорье, содержат многочисленные события, формируя почти непрерывную границу мантийной сейсмичности. Вновь выявленный кластер протянулся на 350 километров вдоль региона Лунмэньшань на восточной стороне Тибета. Эти мантийные землетрясения, по всей видимости, являются афтершоками мощного Вэньчуаньского землетрясения магнитудой 8,0, произошедшего в 2008 году.
Восточно-Африканский рифт также содержит мантийные землетрясения. Более ранние работы с использованием ограниченных методов идентифицировали здесь отдельные события. Новое глобальное сравнение подтверждает протяжённую зону мантийной сейсмичности, охватывающую Танзанию, Замбию и прилегающие районы. В этом регионе верхняя мантия сильно ослабляет сейсмические волны, но сравнение с близлежащими коровыми землетрясениями позволило выделить мантийные события.
Одним из самых неожиданных открытий стала зона вокруг Берингова пролива между Россией и Аляской. Земная кора здесь тонкая, а литосфера обладает повышенной температурой, что в норме ограничивает хрупкое разрушение пород на глубине. Несмотря на это, исследование выявило широкую полосу мантийных землетрясений, не связанных с известными вулканическими центрами. Эта зона охватывает обе стороны пролива и продолжается в северо-восточной Аляске и горах Ричардсона на территории Юкон. Сейсмическое зондирование ранее указывало на активность в нижней коре или непосредственно под ней в некоторых частях этого региона. Новый метод подтверждает мантийную сейсмичность и расширяет известные её границы.
На территории континентальной части Соединённых Штатов мантийные землетрясения ранее были подтверждены лишь в виде отдельных случаев в Вайоминге в 2013 году. Новое исследование не только подтверждает их, но и выявляет дополнительные события на западе страны. Южный Айдахо содержит наибольшее количество мантийных землетрясений в сопредельных штатах. Эти события не коррелируют с центрами голоценового вулканизма. Другие мантийные землетрясения обнаружены в Неваде, северной Мексике, Техасе и Арканзасе. В восточных и центральных штатах их не выявлено из-за низкой общей сейсмичности и, как следствие, недостатка данных для сравнения волновых форм.
В Центральной Америке два мантийных землетрясения расположены вдоль проекции погружающейся плиты, но не лежат непосредственно на ней самой. В Южной Америке, за пределами Анд, данное исследование не обнаружило мантийных землетрясений из-за недостаточной плотности сети сейсмических станций.
В Юго-Восточной Азии и Австралии в Арафурском море ранее было зарегистрировано одно мантийное землетрясение. Это событие не соответствовало строгим критериям текущего исследования из-за ограниченного покрытия станциями. Однако исследователи выявили новый кластер в близлежащем жёлобе Ару. Дополнительные мантийные землетрясения обнаружены вдоль границы Австралийской и плиты Вудларк в Новой Гвинее, под центральной частью Сулавеси и под северо-западной Австралией.
Глобальное распределение показывает, что мантийные землетрясения происходят в более широком спектре геологических условий, чем предполагали ранние теоретические модели. Некоторые прежние объяснения требовали присутствия под континентами холодных остатков океанических плит. Хотя такой механизм может работать в некоторых регионах, он не объясняет обширную мантийную сейсмичность в таких областях, как запад Северной Америки или Берингов пролив. Расчётные температурные показатели для ряда регионов превышают порог, который ранее считался препятствием для хрупкого разрушения. Это указывает на то, что верхняя мантия способна к сейсмическому разрыву в более тёплых и разнообразных условиях, чем ожидалось.
Часть мантийных землетрясений явно следует за крупными коровыми событиями. Афтершоки в Лунмэньшане в Китае, мантийные землетрясения после события 2018 года в Папуа — Новой Гвинее и мантийное событие после землетрясения в Палу на Сулавеси в 2018 году, по всей видимости, являются результатом перераспределения напряжений после основных разрывов в коре. Механизмы, лежащие в основе такого отклика, ещё требуют объяснения.
В ряде регионов исследование не выявило мантийных землетрясений. Эти области либо имеют крайне разреженную сеть сейсмических станций, либо характеризуются исключительно низкой коровой сейсмичностью, что делает невозможным сравнение по методу Sn/Lg. Некоторые древние платформы (кратоны) попадают в эту категорию. Скудные данные из северной Африки, части Австралии и Дальнего Востока России также ограничивают возможности классификации.
Проведённое исследование демонстрирует, что континентальные мантийные землетрясения представляют собой устойчивое глобальное явление, а не изолированные геологические курьёзы. Хотя они составляют малый процент от общего числа землетрясений, их присутствие в разнообразных тектонических и термических условиях даёт новое представление о структуре континентов и распределении в них напряжений. Работа, опубликованная в Science, устанавливает новую методологическую основу для идентификации подобных событий и предлагает первый полный обзор их распространения по всему миру.