Компьютерные модели помогают ученым объяснить загадочную картину деформации под Восточно-Африканской рифтовой системой. Результаты указывают на Африканский суперплюм — огромный восходящий поток горячего мантийного материала глубоко внутри Земли — как на источник необычного движения, параллельного рифту, а также на соответствующую картину в том, как сейсмические волны проходят через породы ниже.

Континентальный рифтогенез происходит, когда жесткая внешняя оболочка Земли начинает растягиваться и истончаться. Эта внешняя оболочка, называемая литосферой, включает кору и верхнюю часть мантии. Когда литосфера разрывается, она может вести себя по-разному в зависимости от того, насколько быстро и где приложено напряжение. У поверхности породы могут растрескиваться, вызывая разломы и землетрясения. Глубже более горячий материал может деформироваться более постепенно.

Геофизик Д. Сара Стэмпс сравнивает эти различные поведения с умным пластилином. «Если ударить по умному пластилину молотком, он может треснуть и сломаться», — сказала Стэмпс, доцент кафедры наук о Земле, входящей в Колледж наук Вирджинского технологического института. «Но если медленно растягивать его, умный пластилин тянется. Таким образом, в разных временных масштабах литосфера Земли ведет себя по-разному».

В большинстве континентальных рифтов деформация следует относительно предсказуемой схеме. Наиболее сильное движение обычно происходит перпендикулярно рифту, в направлении, в котором кора разрывается. Восточно-Африканская рифтовая система, крупнейшая континентальная рифтовая система на Земле, действительно демонстрирует ожидаемую деформацию, перпендикулярную рифту. Но Стэмпс обнаружила нечто иное после более чем 12 лет измерений GPS: части региона также деформировались в направлении, параллельном самому рифту. Это неожиданное движение стало центральной загадкой для ее команды в Лаборатории геодезии и тектонофизики.

В исследовании, опубликованном в Journal of Geophysical Research, исследователи использовали трехмерные термомеханические модели, чтобы выяснить, что может вызывать необычную деформацию. Моделирование было разработано первым автором Тахири Раджаонарисоном, постдокторантом из Нью-Мексико Тек, который получил докторскую степень в Вирджинском технологическом институте, работая в лаборатории Стэмпс. Симуляции показывают, что движение, параллельное рифту, связано с северным мантийным потоком, связанным с Африканским суперплюмом.

Африканский суперплюм — это огромная зона поднимающегося мантийного материала, которая начинается глубоко под юго-западной Африкой и простирается на северо-восток через континент. По мере продвижения на север он становится все мельче под поверхностью. Согласно моделям, этот глубокий мантийный поток может объяснить деформацию, которая не соответствует более простой схеме, ожидаемой от растягивающегося континента.

Эти результаты также добавляют новые доказательства в давний спор о том, что движет Восточно-Африканской рифтовой системой. Ученые обычно сосредотачивались на двух основных возможностях: литосферные силы плавучести, мантийные силы трения или некоторая комбинация этих двух. Литосферные силы плавучести действуют относительно близко к поверхности. На них влияют различия в высоте и плотности внутри литосферы. В Восточной Африке одной из важных особенностей является Африканский суперсвелл — обширная область необычно высокой топографии. Мантийные силы трения возникают глубже внутри Земли. Они являются результатом движения мантийного материала под литосферой и сил, которые текущая мантия может оказывать на жесткую плиту над ней.

Стэмпс впервые начала документировать необычное движение, параллельное рифту, работая постдокторантом. Она использовала GPS-станции, которые принимали сигналы от более чем 30 спутников, вращающихся вокруг Земли на расстоянии примерно 25 000 километров. Эти измерения были достаточно точными, чтобы отслеживать движение поверхности с точностью до миллиметра. Ее наблюдения усложнили существующую картину, потому что мелкие силы плавучести могли объяснить большую часть ожидаемого движения через рифт, но не движение вдоль него.

В исследовании 2021 года команда использовала трехмерные компьютерные симуляции, чтобы проверить, как два набора сил взаимодействуют. Теперь, в новом исследовании, они включили в модель более реалистичные свойства материалов и более высокое разрешение, чтобы лучше понять, как глубокие мантийные потоки влияют на поверхность. Результаты показывают, что Африканский суперплюм играет гораздо более важную роль в формировании рифта, чем считалось ранее.

«Это исследование меняет наше понимание того, как континенты разрываются», — сказала Стэмпс. «Это не просто пассивный процесс растяжения; глубокие мантийные потоки активно участвуют в этом процессе, создавая сложные схемы деформации, которые мы наблюдаем».

Исследователи надеются, что их модель поможет предсказать будущие землетрясения и вулканическую активность в регионе. Понимая, как движется мантия, ученые могут лучше оценить, где могут произойти разломы и извержения. Это особенно важно для Восточной Африки, где многие густонаселенные районы находятся в зоне риска.

«Это захватывающее время для геофизики», — сказал Раджаонарисон. «С помощью компьютерных моделей мы можем заглянуть глубоко в недра Земли и увидеть процессы, которые формируют нашу планету. Это как иметь машину времени, которая показывает нам, как континенты развивались на протяжении миллионов лет».

Исследование было поддержано Национальным научным фондом и Геологической службой США. Команда планирует продолжить работу, добавив в модель больше данных о составе пород и температуре, чтобы сделать прогнозы еще более точными.

В конечном счете, это исследование не только помогает нам понять прошлое и настоящее Земли, но и дает инструменты для прогнозирования будущих геологических событий. И хотя Африка может быть «личным тренером», который разрывает континент на части, по крайней мере теперь мы знаем, кто стоит за этим тренером — глубокий мантийный шлейф, который неустанно работает под поверхностью.