Крупные провинции с низкой скоростью сдвига , LLSVP , также называемые LLVP или суперплюмами , представляют собой характерные структуры частей самой нижней мантии (области, окружающей внешнее ядро ) Земли. [2] Эти провинции характеризуются медленными скоростями поперечных волн и были обнаружены с помощью сейсмической томографии глубин Земли. Есть две основные провинции: Африканская LLSVP и Тихоокеанская LLSVP. Оба простираются в поперечном направлении на тысячи километров и, возможно, на 1000 километров по вертикали от границы ядро-мантия . Тихоокеанская LLSVP имеет диаметр 3000 километров (1900 миль) и лежит в основе четырех горячих точек , которые предполагают наличие под ней множества мантийных плюмов . [3] Эти зоны составляют около 8% объема мантии (6% Земли). [1] Другие названия LLSVP включают « суперсвеллы », «термохимические сваи» или «скрытые резервуары». Однако большинство этих названий лучше интерпретируют предполагаемые геодинамические или геохимические эффекты. Например, название «термохимическая куча» интерпретирует LLSVP как груды нижней мантии из термически горячего и/или химически отличного материала. LLSVP до сих пор относительно загадочны, и остается много вопросов об их природе, происхождении и геодинамических эффектах.
LLSVP были обнаружены в полномантийных сейсмотомографических моделях скорости сдвига как медленные особенности в самых нижних частях мантии под Африкой и Тихим океаном. Границы этих функций кажутся довольно одинаковыми в разных моделях при применении объективной кластеризации k-средних . [4] Глобальная сферическая гармоническая структура второй степени является сильной и выравнивается с наименьшими моментами инерции вместе с двумя LLSVP. Это означает, что с использованием скоростей поперечных волн не только проверяются установленные местоположения LLSVP, но и возникает устойчивая картина мантийной конвекции. Эта стабильная конфигурация отвечает за геометрию движений плит на поверхности, а также за мантийную конвекцию. [5] Другое название структуры второй степени, слоя нижней мантии толщиной примерно 200 километров (120 миль) непосредственно над границей ядра и мантии , - это D ″ («D Double-Prime» или «D Prime Prime»). ). [6] LLSVP расположены вокруг экватора, но в основном в южном полушарии. Модели глобальной томографии по своей сути приводят к сглаживанию функций; Однако локальное моделирование объемных волн показало, что LLSVP имеют резкие границы. [7] Резкость границ затрудняет объяснение особенностей только температурой; LLSVP должны различаться по составу, чтобы объяснить скачок скорости.Зоны сверхнизких скоростей на меньших масштабах обнаружены в основном на краях этих LLSVP. [8]
С помощью твердого земного прилива была определена плотность этих регионов. Нижние две трети на 0,5% плотнее основной массы мантии. Однако приливная томография не может точно сказать, как распределяется избыточная масса. Повышенная плотность может быть связана с первичным материалом или погруженными океанскими плитами. [9]
Крупная африканская провинция с низкими скоростями сдвига может быть потенциальной причиной Южно-Атлантической аномалии . [10]
Было предложено несколько гипотез происхождения и существования LLSVP в зависимости от того, представляют ли провинции чисто термические несогласия (т. е. имеют изохимическую природу, имеют тот же химический состав, что и окружающая мантия) или представляют собой также химические несогласия (т. е. являются термохимическими по своей природе ). природы, отличающегося по химическому составу от окружающей мантии).
Если LLSVP представляют собой чисто термические несогласия, то они могли образоваться как мегаплюмы горячей поднимающейся мантии. Однако геодинамические исследования предсказывают, что изохимический апвеллинг более горячего материала с меньшей вязкостью должен образовывать длинные узкие шлейфы [11] в отличие от больших и широких шлейфов, наблюдаемых в LLSVP.
В настоящее время ведущей гипотезой LLSVP является скопление субдуцированных океанических плит. Это соответствует расположению известных кладбищ плит вокруг Тихоокеанского LLSVP. Считается, что эти кладбища являются причиной зональных аномалий высоких скоростей, окружающих Тихоокеанский LLSVP, и, как полагают, они образовались в результате зон субдукции, существовавших задолго до рассеяния — около 750 миллионов лет назад — суперконтинента Родиния . Благодаря фазовому превращению температура частично расплавит плиты с образованием плотного тяжелого расплава, который объединяется и образует структуры зоны сверхнизкой скорости в нижней части границы ядро-мантия ближе к LLSVP, чем к кладбищам плит. Остальная часть материала затем поднимается вверх из-за плавучести, вызванной химическими веществами, и способствует образованию высоких уровней базальта, обнаруженных на срединно-океаническом хребте . В результате движения формируются небольшие скопления небольших плюмов прямо над границей ядра и мантии, которые объединяются, образуя более крупные плюмы, а затем вносят свой вклад в суперплюмы. Тихоокеанская и африканская LLSVP в этом сценарии изначально создаются в результате выброса тепла из ядра (4000 К) в гораздо более холодную мантию (2000 К), а переработанная литосфера является лишь топливом, которое помогает управлять конвекцией суперплюма. Поскольку ядру Земли было бы трудно поддерживать столь высокую температуру самостоятельно, это подтверждает существование радиогенных нуклидов в ядре, а также указывает на то, что, если плодородная субдуцированная литосфера перестанет погружаться в местах, предпочтительных для поглощения суперплюма, она ознаменует закат этого суперплюма. [3]
Второе предполагаемое происхождение LLSVP заключается в том, что их образование связано с гипотезой гигантского удара , которая утверждает, что Луна образовалась после столкновения Земли с телом размером с планету под названием Тейя . [12] Гипотеза предполагает, что LLSVP могут представлять собой фрагменты мантии Тейи, которые опустились до границы ядра и мантии Земли. [12] Более высокая плотность фрагментов мантии обусловлена их обогащением оксидом железа(II) по сравнению с остальной мантией Земли. Этот более высокий состав оксида железа (II) также будет соответствовать изотопной геохимии лунных образцов, а также базальтов океанических островов, перекрывающих LLSVP. [13] [14]
Геодинамические модели мантийной конвекции включают материал, отличающийся по составу. Материал имеет тенденцию скатываться в гребни или кучи. [8] При включении в моделирование реалистичных движений прошлых плит материал попадает в места, которые удивительно похожи на современное расположение LLSVP. [15] Эти места также соответствуют известным местам кладбищ плит , упомянутым в разделе «Происхождение». Эти типы моделей, а также наблюдение о том, что структура LLSVP второй степени ортогональна пути истинного блуждания полюсов , предполагают, что эти мантийные структуры были стабильными в течение больших периодов времени. Это геометрическое соотношение также согласуется с положением суперконтинента Пангея и формированием нынешней структуры геоида из-за распада континентов из-за суперволны внизу. [5] Однако тепла от ядра недостаточно для поддержания энергии, необходимой для подпитки супершлейма(ов), расположенного в LLSVP. Происходит фазовый переход от перовскита к постперовскиту из нисходящей плиты (плит), который вызывает экзотермическую реакцию . Эта экзотермическая реакция помогает нагреть LLSVP, но ее недостаточно для учета общей энергии, необходимой для его поддержания. Таким образом, предполагается, что материал из кладбища плит может стать чрезвычайно плотным и образовать большие лужи расплавленного концентрата, обогащенного ураном , торием и калием . Считается, что эти концентрированные радиогенные элементы обеспечивают необходимые высокие температуры. Итак, появление и исчезновение кладбищ плит предсказывает рождение и смерть LLSVP, потенциально меняя динамику всей тектоники плит. [3]