И. Благов. Гравитационная впадина в Индийском океане

Мы привыкли думать, что Земля имеет шарообразную форму. Ну, в крайнем случае — форму эллипсоида: в районе экватора её диаметр чуть больше из-за вращения. В идеальной Вселенной она такой бы и была, но в реальности всё гораздо сложнее.

Сравнительно недавно удалось установить, что в действительности фигура Земли отклоняется от правильной формы эллипсоида из-за неоднородного строения недр и неравномерного распределения массы. Наша планета имеет форму геоида, и эта форма определена, прежде всего, гравитацией. Соответственно, этот фактор оказывает сильное влияние на циркуляцию океанских водных масс и колебания уровня моря. Что-то наподобие того, как Луна влияет на приливы и отливы.

Гравитационная карта, то есть виртуальная карта Земли, имеет форму неровного клубня картофеля, в то время как реальная Земля представляет собой слегка сплюснутую сферу.

Мы же все видели фотографии Земли из космоса, на которых она выглядит идеально круглой. Но, как утверждают некоторые альтернативные, особенно, «диванные» исследователи, если Земля действительно имеет форму неровной картофелины… значит, все эти фотографии из космоса на самом деле подделки?

Так Земля выглядит из космоса

По мнению этих исследователей, люди, которые думают, что вода в местах с меньшей гравитацией должна быть выше, забывают, что вода не сжимается (и не растягивается). Поэтому даже при меньшей гравитации она не расширяется. Как же тогда в тех регионах планеты, где гравитационные силы сильнее, средний уровень моря выше, а в регионах, где гравитационные силы Земли слабее, средний уровень моря ниже?

Ну, во-первых, наша планета полна неровностей — горных хребтов и морских впадин, где-то покрыта толстыми континентальными литосферными плитами, а где-то — намного более тонкими океаническими. Всё это сглаживается при взгляде из космоса, но создаёт неравномерность распределения массы в литосфере. Литосфера — подвижная жёсткая оболочка Земли, состоящая из земной коры и верхней части мантии, до астеносферы, где скорости сейсмических волн понижаются, свидетельствуя об изменении пластичности пород.

Геоид Земли

Во-вторых, как объясняет доцент Центра наук о Земле Индийского института науки Аттрейя Гхош, если покрыть планету водой, на которую не действовали бы ветра и приливы, а действовали только сила тяжести и скорость вращения Земли, её поверхность была бы другой.

Иными словами, геоид — это форма, которую поверхность океана могла бы принять под действием силы тяжести и вращения Земли, если бы отсутствовали другие воздействия, такие как ветры и приливы. Точная конфигурация геоида может быть установлена только путём расчётов, основанных на измерениях гравитационного поля Земли. Такие расчёты с высокой точностью были проведены только после возникновения космической геодезии в конце XX века.

Так вот, возле побережья Шри-Ланки зарегистрировано наибольшее значение ускорения свободного падения на Земле. Официально известная как «Индийская океаническая геоидная впадина», она представляет собой не обычную физическую впадину, а область океана, где гравитация ниже средней. Это огромный регион в Индийском океане, где уровень воды примерно на 106 м. ниже среднего уровня Мирового океана.

Гравитационная аномалия в Индийском океане

Учёные знали о существовании «гравитационной дыры» в Индийском океане на протяжении десятилетий, но долгое время не могли понять, почему она там есть. И даже в наше время происхождение этого самого низкого геоида Земли — геоида Индийского океана — вызывает споры среди ученых.

«Геоид Индийского океана» был открыт в 1948 году голландским геофизиком Феликсом Андрисом Венинг-Мейнесом во время гравиметрической съёмки с борта корабля. Он обнаружил, что уровень моря в этом регионе значительно ниже среднемирового, что указывает на гравитационную аномалию.

Феликс Андрис Венинг-Мейнес (1887 — 1966), нидерландский геофизик и геодезист, завоевал известность благодаря изобретению точного метода измерения гравитационного поля Земли.

Раз океан в этом районе Земли проседает (причём на огромной территории — около 3 миллионов квадратных километров), значит, в глубине планеты есть какой-то дефицит массы — он создаёт эту аномалию. Из-за чего он возникает?

Происхождение этого геоидного минимума остаётся загадкой для ученых. Для объяснения этой отрицательной геоидной аномалии были выдвинуты различные теории. Некомпенсированная кора (Ihnen & Whitcomb, 1983), прогиб реликтового излучения (Negi et al., 1987), нижнемантийные плиты (Rao & Kumar, 2014), мантийный апвеллинг из-за обезвоживания субдуцированных мезозойских плит (Спасоевич и др., 2010), наличие горячей низкоскоростной аномалии на глубинах средней и верхней мантии (Ghosh et al., 2017) и наложение высоко- и низкоскоростных аномалий под Индийским океаном (Paul & Kumar, 2022; Rao et al., 2020; Steinberger et al., 2021) — все они были предложены в качестве возможных механизмов.

Гравитационная яма, также известная как геоид, — это не физическая яма, а область океана, где гравитация ниже среднего уровня. Геоид Индийского океана — самый глубокий геоид на Земле. Одна и та же гиря, взвешенная на одних и тех же пружинных весах, будет в «красных местах» тяжелее, а в «синих местах» — легче).

Все эти исследования были посвящены современной аномалии и не касались вопроса о том, как возник этот геоидный минимум. В недавнем исследовании с использованием моделей мантийной конвекции, зависящих от времени (Nerlich et al., 2016), утверждалось, что в возникновении этой аномалии сыграли роль палеодуговые бассейны в Неотетисе.

Индийские учёные из Центра наук о Земле Индийского института науки Аттрейя Гхош и её коллега Дебанджан Пал, как им кажется, поставили точку в этом вопросе. Результаты были опубликованы в журнале Geophysical Research Letters 05.05.2023 (см. Debanjan Pal, Attreyee Ghosh. How the Indian Ocean Geoid Low Was Formed).

Они утверждает, что «гравитационная дыра» образовалась из-за потоков магмы низкой плотности, поднявшихся из мантии Земли. В 2018 году группа учёных из Национального центра полярных и океанических исследований Индии отправилась в морскую экспедицию, чтобы установить ряд сейсмометров вдоль морского дна в зоне деформации и составить карту местности. Результаты исследования указывают на наличие горячих шлейфов расплавленной породы, поднимающихся под Индийским океаном и каким-то образом способствующих его большой вмятине.

Но для реконструкции геоида на его ранних стадиях развития требовалось более длительное наблюдение. Поэтому Пал и Гхош проследили процесс формирования массивного геоида, смоделировав, как тектонические плиты перемещались по горячей, липкой мантии Земли в течение последних 140 миллионов лет.

Геоид, рассчитанный на основе современных томографических моделей, показал, что горячие аномалии в средней и верхней мантии играют ключевую роль в формировании геоида. Его форма зависит от внутреннего распределения массы в мантии и связанной с ним топографии поверхности и границы между ядром и мантией. Геоид является следствием дефицита массы в мантии Земли под Индийским океаном.

Мантия Земли

Авторы исследования провели компьютерные симуляции вплоть до сегодняшнего дня, воссоздавая смещение плит и поведение магмы в глубине Земли. В шести симуляциях из 19 проведённых образовалась впадина, подобная той, что сейчас находится в Индийском океане.

Графики из работы ученых

Все эти шесть моделей объединяло наличие шлейфов магмы вокруг «гравитационной дыры». При моделировании использовались разные параметры плотности магмы, и когда шлейфов не было, гравитационная аномалия тоже не возникала.

Как считают учёные, эти шлейфы магмы появились в результате исчезновения древнего океана Тетис. «140 миллионов лет назад Индия находилась в совершенно другом месте, между Индостанской плитой и Азией располагался океан, — рассказала Аттрейя Гхош в интервью CNN. — Потом Индия начала двигаться на север, к Азии, и этот океан исчез».

А когда океаническая плита погрузилась в мантию, это могло спровоцировать образование шлейфов магмы, предполагают учёные. Им известно, что от Африканского континента на восток движутся мантийные потоки — горячие расплавленные породы. Они как раз достигают центра гравитационной аномалии в Индийском океане.

(a) Температурные профили в моделях сейсмической томографии в Индийском океане. (b) и (c) Контурные графики прогнозируемого геоида Индийского океана, наложенного на прогнозируемые температурные аномалии.

Закрытие океана Тетис и миграция Индии на север привели к образованию огромного количества нижних мантийных плит под Юго-Восточной Азией (Van Hinsbergen et al., 2012). Эти нижние мантийные плиты могли нарушить работу африканской провинции с низкой скоростью сдвига (LLSVP) и вызвать образование плюмов под Индийским океаном (East et al., 2020). Взаимодействие этих процессов в недрах Индийского океана могло определить положение и форму Индийской океанической плиты (Steinberger et al., 2021).

В своем исследовании индийские ученые использовали реконструкцию тектонических плит в глобальных моделях мантийной конвекции, начиная с 140 млн лет назад, и они показали, что погружающиеся Тетийские плиты нарушили Африканскую провинцию с низкой скоростью сдвига и образовали плюмы под Индийским океаном, что привело к формированию этой отрицательной геоидной аномалии. Они также показали, что этот минимум может быть воспроизведён окружающими аномалиями плотности мантии, даже если они не находятся непосредственно под минимумом геоида.

«С помощью этих симуляций мы смогли увидеть, что в какой-то момент этот геоидный минимум перестал существовать, а затем сформировался примерно 20 миллионов лет назад», — рассказала MailOnline автор исследования Аттрейя Гхош.

Используя модели глобальной мантийной конвекции, зависящие от времени, начиная с мелового периода, ученые смоделировали происхождение загадочного геоида Индийского океана. Эти шлейфы образовались из остатков затонувшей тектонической плиты под названием Тетис, которая исчезла, когда Индия стала частью Азии 50 миллионов лет назад.

Океан Тетис — доисторический океан на протяжении большей части Мезозойской эры и в начале-середине Кайнозойской эры. Он был предшественником современного Индийского океана, Средиземного моря и внутренних морских бассейнов Евразии.

Считается, что мантийные плюмы — восходящие потоки аномально горячих пород в мантии Земли — возникают из-за гравитационных аномалий вокруг Земли. На иллюстрациях и физических моделях Земля часто изображается в виде идеально круглой сферы, но, по мнению индийских экспертов, по форме она больше напоминает «бугристую картофелину».

Неровная поверхность нашей планеты обусловлена неоднородностью гравитации, вызванной неравномерным распределением материи в её недрах. К поверхностным деформациям добавляется движение тектонических плит, в результате которого на поверхности Земли образуются горы и долины. Поскольку океаны покрывают около 70 % поверхности планеты, эти деформации влияют и на форму океанов.

Хорошо известно, что литосфера Земли — её каменистая внешняя оболочка — состоит примерно из 15 тектонических плит, которые постоянно движутся и трутся друг о друга. Около 50 миллионов лет назад относительно небольшая Индийская плита начала сталкиваться с гораздо более крупной Евразийской плитой, образуя Гималаи.

На карте показано современное расположение тектонических плит Земли. Обратите внимание на относительно небольшую Индийскую плиту, отмеченную красным цветом

До этого Индийская плита была частью древнего южного «суперконтинента», который сегодня называют Гондваной, но она начала смещаться на север. Когда Индийская плита столкнулась с Евразийской, другая плита, находившаяся между ними, — Тетис — была субдуцирована, погрузилась в мантию и исчезла.

Индийская плита когда-то была частью древнего южного «суперконтинента» Гондвана. На изображении показаны исторические плиты и их движение в период распада Гондваны (считается, что этот процесс начался около 120 миллионов лет назад)

В Тетисе располагался огромный океан, в котором обитала разнообразная морская фауна, включая рыб, акул, китов и дельфинов. По мнению исследователей, плиты тектоносферы Тетис погрузились в нижнюю мантию Земли и взбаламутили магму, образовав плюмы.

Заключение

Существует несколько конкурирующих гипотез, среди которых недавнее исследование с использованием томографических моделей предполагает, что горячие аномалии в средней и верхней мантии играют ключевую роль в формировании геоида Индийского океана. Он является результатом сочетания структур мантии в регионе Индийского океана и вокруг него, а также влияния аномалий высоких температур для формирования этого геоида.

Индийские ученые показали, что поток, вызванный погружением плит Тетис, нарушает Африканскую провинцию с низкой скоростью сдвига и порождает плюмы, достигающие верхней мантии. Эти плюмы, а также структура мантии в районе геоидного минимума ответственны за формирование этой отрицательной геоидной аномалии.

Изучив широкий спектр параметров модели, таких как плотность и внутренняя вязкость термохимических столбов, наклон Клапейрона и скачок плотности на глубине 660 км, прочность плит, специалисты пришли к выводу, что плюмы играют ключевую роль в формировании межплитных границ. Вклад плит Тетис в нижней мантии вторичен, но также необходим для формирования этого геоида. Индийские ученые доказали, что именно плюмы сыграли «неотъемлемую» роль в его формировании.

Публикация на Тelegra.ph

См. еще: