מודל מחשב חדש מדמיין חומר במעטפת התחתונה שאינו יכול להגיע מלוחות מופחתים. (קרדיט: סבסטיאן נואה / ETH ציריך)
מחשב העל חושף חריגות בלתי צפויות האורבות במעטפת התחתונה של כדור הארץ
ציריך, שוויץ -קילומטרים מתחת לאוקיינוס השקט, באזור של מעטפת כדור הארץ שבו החוכמה המקובלת אומרת ששום דבר חריג לא צריך להתקיים, מדענים גילו משהו יוצא דופן. באמצעות טכנולוגיה חדשנית לניתוח גלים סיסמיים, חוקרים זיהו מבנים מסיביים המאתגרים תיאוריות יסוד לגבי האופן שבו כוכב הלכת שלנו נוצר והתפתח. זה כאילו גילינו יבשת גיאולוגית חדשה - לא על פני כדור הארץ, אלא עמוק בתוכו.
בדיוק כפי שרופאים משתמשים בגלי אולטרסאונד כדי להציץ לתוך גוף האדם ללא ניתוח, גיאופיזיקאים משתמשים בגלים סיסמיים מרעידות אדמה כדי לחקור את פנים כדור הארץ. כַּאֲשֵׁרמתרחשים, הם שולחים גלים לכל הכיוונים דרך הפלנטה. גלים אלו נעים במהירויות שונות בהתאם לחומרים שהם פוגשים, מתכופפים, קופצים ומתפזרים לאורך הדרך. על ידי הקלטת גלים אלה בתחנות סייסמיות ברחבי העולם, מדענים יכולים ליצור תמונות של מבנים עמוק בתוך כדור הארץ, בדומה ליצירת סריקה רפואית של הפלנטה שלנו.
במשך עשרות שנים, טכניקה זו חשפה דפוסי גלים נעים במהירות בעיקר מתחת לאזורים שבהם לוחות טקטוניים מתנגשים ולוח אחד צולל מתחת לאחר - תהליך הנקראהנפה. הדפוסים הללו נחשבו כשרידים של לוחות טקטוניים עתיקים ששקעו לתוכם, השכבה בין הקרום לליבה. עם זאת, המחקר החדש המרעיד, שפורסם בדוחות מדעיים, חשף משהו בלתי צפוי.
באמצעות אחד ממחשבי העל החזקים בעולם, ה-Piz Daint ב-CSCS בלוגאנו, חוקרים מ-ETH ציריך והמכון הטכנולוגי של קליפורניה גילו דפוסי גלים דומים במקומות שבהם הם לא אמורים להתקיים - מתחת לאוקיינוסים עצומים ופנים יבשתיים, רחוקים מ כל גבולות צלחות ידועים. "כַּנִראֶה,במעטפת כדור הארץ נפוצים הרבה יותר ממה שחשבו בעבר", אומר תומס שוטן, המחבר הראשי של המחקר ודוקטורנט במכון הגיאולוגי של ETH בציריך, בהצהרה.
המפתח לגילוי זה טמון בטכניקה מתוחכמת הנקראתהיפוך צורת גל מלא(FWI). בניגוד לשיטות המסורתיות המנתחות רק סוגים ספציפיים של גלים סייסמיים, FWI בוחן סייסמוגרמות שלמות, ולוכד תמונה מלאה יותר של פנים כדור הארץ. גישה מקיפה זו דורשת כוח חישוב עצום אך מספקת פרטים חסרי תקדים.
הממצא הבולט ביותר התגלה מתחת למערבון, שם זיהו החוקרים חריגה מסיבית בין 900 ל-1,200 קילומטרים בעומק. על פי התיאוריות הטקטוניות הלוחות הנוכחיות, החומר הזה לא יכול היה להגיע מלוחות מופחתים מכיוון שלאזור אין היסטוריה עדכנית של אזורי ההפחתה.
פרופסור ETH אנדראס פיכטנר, שפיתח את המודל הממוחשב, עורך הקבלה רפואית: "זה כמו רופא שבודק את זרימת הדם באולטרסאונד במשך עשרות שנים ומוצא עורקים בדיוק היכן שהוא מצפה להם. ואז אם נותנים לו כלי בדיקה חדש וטוב יותר, הוא פתאום רואה עורק בישבן שלא ממש שייך לשם. זה בדיוק מה שאנחנו מרגישים לגבי הממצאים החדשים”.
התגלית מעידה על מבני כדור הארץ העמוקים הללו עשויים להיות בעלי מקורות מגוונים. "אנחנו חושבים שלאנומליות במעטפת התחתונה יש מגוון מקורות", מסביר שוטן. הם יכולים להיות חומר עתיק עשיר בסיליקה ששרד מאזלפני כ-4 מיליארד שנים, למרות תנועות תנועות מתמשכות. לחלופין, הם עשויים להיות אזורים שבהם סלעים עשירים בברזל הצטברו במשך מיליארדי שנים עקב תנועות המעטפת הללו.
צוות המחקר מדגיש כי המודלים הנוכחיים מראים רק דפוסי מהירות גלים, אשר לבדם אינם יכולים להסביר באופן מלא את פנים כדור הארץ המורכב. מחקר עתידי יצטרך להעמיק בתכונות החומר היוצרות דפוסים אלה, הדורשים מודלים מתוחכמים עוד יותר וכוח חישוב.
סיכום נייר
מֵתוֹדוֹלוֹגִיָה
גישת המחקר מייצגת התקדמות משמעותית באופן שבו מדענים חוקרים את פנים כדור הארץ. טומוגרפיה סיסמית מסורתית מנתחת רק גלי רעידת אדמה ספציפיים, ומתמקדת בעיקר בגלים ישירים שנעים לאורך נתיבים חזויים. שיטת היפוך צורת הגל החדשה החדשה, לעומת זאת, בוחנת סיסמוגרפים שלמים - כולל גלים משתקפים, נשברים ומפוזרים ששיטות מסורתיות מתעלמות מהם. זה דומה לשדרוג מצילום רנטגן בסיסי לסריקת CT מלאה, המספק תמונה הרבה יותר מלאה.
הצוות השתמש בנתונים מתחנות סייסמיות ברחבי העולם, תוך תשומת לב מיוחדת לגלים שנעו באזורים שלא נחקרו בעבר כמו אגני אוקיינוס ופנים יבשות. הדרישות החישוביות המסיביות של עיבוד נתונים אלה חייבו את השימוש במחשב העל Piz Daint, אחת ממערכות המחשוב החזקות בעולם.
תוצאות
המחקר חשף כמה ממצאים פורצי דרך. ראשית, הוא זיהה מספר חריגות במהירות גבוהה ברחבי מעטפת כדור הארץ שמחקרים קודמים החמיצו. התגלית המשמעותית ביותר הייתה האנומליה הגדולה מתחת לאוקיינוס השקט המערבי, הממוקמת בעומקים שבין 900-1200 קילומטרים. שלא כמו חריגות שהתגלו בעבר, המתואמות בדרך כלל עם אזורי הפחתה ידועים, רבים מהמאפיינים שהתגלו לאחרונה מופיעים באזורים ללא תיעוד גיאולוגי של הנחת צלחות.
ניתוח סטטיסטי לא הראה שום מתאם מובהק בין חריגות אלו לבין אזורי ההפחתה בעבר, מה שקורא תיגר על ההנחה שנמשכה זמן רב שמאפיינים כאלה מייצגים בעיקר שרידים של לוחות טקטוניים מוצנעים. זה מצביע על כך שמעטפת כדור הארץ עשויה להיות הטרוגנית יותר - או מגוונת בהרכבה - ממה שחשבו בעבר.
מגבלות
בעוד שהמתודולוגיה החדשה מייצגת התקדמות משמעותית, היא עדיין עומדת בפני אילוצים מסוימים. הרזולוציה של הדמיה סיסמית ממשיכה להיות תלויה בהפצה העולמית של רעידות אדמה ותחנות סיסמיות, שנותרה לא אחידה. בנוסף, בעוד ש-FWI מספק נתונים מקיפים יותר, הוא דורש משאבי חישוב עצומים ומניח הנחות מסוימות לגבי התפשטות גלים דרך פנים כדור הארץ.
החוקרים מכירים בכך שהמודלים הנוכחיים שלהם מציגים רק דפוסי מהירות גל מבלי לחשוף ישירות את ההרכב המדויק או הטבע של החומרים הגורמים לדפוסים אלה. כפי שמציין Schouten, זה מייצג רק תכונה אחת של המבנה הפנימי המורכב של כדור הארץ.
טייק אווי ודיון
מחקר זה מאתגר באופן יסודי את הבנתנו את המבנה הפנימי והדינמיקה של כדור הארץ. הוא מצביע על כך שתהליכים מעבר לטקטוניקת הלוחות עשויים למלא תפקידים משמעותיים בעיצוב פנים כדור הארץ, כולל חומרים עתיקים שנשמרו מההיסטוריה המוקדמת של כדור הארץ או הצטברויות של סלעים עשירים בברזל שנוצרו באמצעות הסעת מעטפת.
לממצאים יש השלכות חשובות על האופן שבו מדענים משחזרים את תנועות הלוחות בעבר ומבינים את האבולוציה התרמית והכימית של כדור הארץ. הם גם פותחים אפיקים חדשים למחקר על הרכב מעטפת ודינמיקה, מה שמצביע על כך שחלקו הפנימי של כדור הארץ עשוי להיות מורכב ומגוון יותר ממה שמצביעים המודלים הנוכחיים.
מימון וגילויים
המחקר קיבל תמיכה ממקורות רבים, כולל תוכנית המחקר Horizon 2020 של האיחוד האירופי באמצעות מענק מארי Skłodowska-Curie, הקרן הלאומית למדע השוויצרית והמעבדה הסיסמולוגית במכון הטכנולוגי של קליפורניה. המחברים הצהירו שאין להם אינטרסים מתחרים.
מידע על פרסום
המחקר, "היפוך צורת גל מלא מגלה מקורות מגוונים של חריגות במהירות גל חיובית של המעטפת התחתון", פורסם ב-Scientific Reports (2024), DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-024-77399-2. המחקר מייצג שיתוף פעולה בין ETH ציריך והמכון הטכנולוגי של קליפורניה, עם תמיכה נוספת ממעבדת ההנעה הסילון.
StudyFinds יוצאת למצוא מחקר חדש שמדבר לקהל המוני - בלי כל הז'רגון המדעי. הסיפורים שאנו מפרסמים הם גרסאות מחקר מסוככות לעיכול שנועדו ליידע את הקורא וגם לעורר ויכוח אזרחי ומשכיל. מאמרי צוות StudyFinds נעזרים בבינה מלאכותית, אך תמיד נבדקים ונערכים ביסודיות על ידי איש צוות של Study Finds. קרא את מדיניות הבינה המלאכותית שלנו למידע נוסף.
