Když se Doug Wiens obrátil na farmáře z Minnesoty, aby požádal o povolení nainstalovat na jejich půdu seismometr, často se mu naskytl zmatený pohled. "Bylo vidět, že si myslí 'Proč sem dáváte seismometr?'," řekl Wiens, profesor věd o Zemi a planetárních věd v Arts & Sciences na Washingtonské univerzitě v St. Louis. "Nemáme zemětřesení a nemáme sopky. Víš něco, co my ne?""
Ve skutečnosti to udělal. Hluboko pod úrodnou plochou zemědělskou půdou je na Zemi obrovská jizva zvaná Středokontinentální trhlina. Tento prastarý a skrytý rys vydává tiché svědectví o době, kdy se jádro toho, co se mělo stát Severní Amerikou, téměř roztrhlo. Pokud by se trhlina ve tvaru U dokončila, země mezi jejími rameny – včetně nejméně poloviny toho, čemu se nyní říká Středozápad – by se odtáhla od Severní Ameriky a zanechala by za sebou velký oceán.
Weisen Shen, postdoktorandský výzkumný pracovník ve Wiens, představí seismické snímky trhliny na výročním zasedání Americké geologické společnosti (GSA) 25.–28. září. Snímky byly pořízeny analýzou dat z Earthscope, programu National Science Foundation (NSF), který za posledních 10 let rozmístil tisíce seismických přístrojů po celé Americe.
Co je to za věc?
Prasklina středního kontinentu byla objevena geofyziky, kteří si všimli, že gravitace je v některých částech horního Středozápadu silnější než v jiných. V 50. a 60. letech 20. století mapovali gravitační a magnetické anomálie pomocí vzduchových senzorů. Shen přispívá na sezení v GSA věnované Billu Heinzemu, geofyzikovi, který pomohl objevit a zmapovat trhlinu středního kontinentu.
Pochopení trhliny se však zastavilo až do roku 2003, kdy NSF financovala Earthscope, program, jehož posláním je využít Severní Ameriku jako přírodní laboratoř k získání vhledu do toho, jak Země funguje.
Jako součást Earthscope Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS) instalovaly síť 400 seismometrů, nazývaných USArray, které procházely Spojenými státy od západu na východ a shromažďovaly data na každém místě již dva roky předtím posouvat se. USArray byl instalován na západním pobřeží v roce 2004 a do roku 2010 postoupil na Středozápad.
Earthscope také zpřístupnil skupinu seismometrů, nazývanou flexibilní pole, pro cílenější experimenty v terénu. Konsorcium univerzit, včetně Washington University v St. Louis, v roce 2011 nainstaloval 83 těchto stanic podél trhliny a přes ni, čímž vytvořil husté pole nazvané SPREE.
Teleskop hledící dolů
Seismologové nikdy předtím nebyli schopni pokrýt krajinu seismometry tímto způsobem, a tak USArray podnítil mnoho inovací v manipulaci se seismickými daty k získání informací o zemské kůře a svrchním plášti.
Seismická interpretace je ožehavou verzí toho, čemu se říká inverzní problém. Pokud by vnitřek Země měl jednotné složení, seismické vlny by se šířily přímočaře. Ale místo toho se podzemní stavby nebo rozdíly v teplotě a hustotě lámou a odrážejí. Problém je matematicky zjistit, které překážky mohly způsobit příchod vln, které seismometry zaznamenaly.
Je to trochu jako snažit se zjistit tvar ostrova v jezírku tím, že hodíte oblázek do jezera a zaznamenáte vlnky dorážející na břeh.
Průvodcem dat v týmu Washingtonské univerzity je Shen, který vymyslel nové techniky pro kombinování mnoha typů seismologických dat za účelem vytvoření ostřejších snímků nitra Země.
Farmáři v Minnesotě mají jasno, když se diví, co by mohl „senzor zemětřesení“detekovat v oblasti, kde nejsou žádná zemětřesení. Odpověď zní, že seismometry zaznamenávají vzdálená zemětřesení, jako jsou ta na Pacifickém ohnivém kruhu na opačné straně planety, a okolní hluk způsobený aktivitou, jako jsou silné bouře, které se bijí do pobřeží Jersey.
Shen směs okořenil několika dalšími měřeními, která lze také získat ze seismického záznamu. Invertováním všech těchto datových funkcí současně v bayesovském statistickém rámci je schopen získat mnohem jasnější snímky nitra Země, než jaké by vytvořil jeden typ dat samotný, spolu s odhady pravděpodobnosti, že snímky jsou správné.
Nejen jizva, keloidní jizva
Co se vědci o trhlině dozvěděli?
"Když roztrhnete kontinent jako kus karamelu, začne se natahovat a tenčit," řekl Michael Wysession, profesor věd o Zemi a planetárních vědách a člen týmu SPREE. "A jak se propadá, ponor se naplní sedimentem o nízké hustotě."
"Pokud tedy projdete trhlinou pomocí gravitačního senzoru, očekáváte, že najdete negativní gravitační anomálii. Hmotnost by měla chybět. Ale to se nestalo s trhlinou Midcontinent Rift. Místo toho, aby byla tenčí než okolní kůra, je tlustší.
"Víme, že láva vychází z trhlin," řekl Wysession. "Východoafrická riftová zóna například zahrnuje řadu aktivních a spících sopek, jako je hora Kilimandžáro. Rift Midcontinent Rift byl ale zaplaven lávou, a když klesal pod tíhou chladnoucí čedičové horniny, vyteklo ještě více lávy do deprese.
"Vypuklo zde obrovské množství lávy," řekl Wysession. "Byl to možná největší výlev lávy v historii naší planety. A poté, co erupce skončily, byla oblast stlačena stavbou hor na východ, čímž se jizva zahustila jejím horizontálním stlačením."
Shen publikoval snímky trhliny vytvořené pomocí dat USArray v Journal of Geophysical Research 2013. V té době však měl v okolí trhliny jen řídké pokrytí. Na schůzce GSA v roce 2016 představí snímky vytvořené pomocí dat USArray i SPREE (zejména mnohem více „funkcí přijímače“, což je typ seismických dat, která jsou zvláště citlivá na seismické hranice), které jasněji ukazují, co leží pod trhlinou.
Míle pod zemským povrchem se nachází seismická hranice nazývaná Mohorovičićova diskontinuita nebo Moho. V Moho narážejí seismické vlny na materiál s vyšší hustotou a náhle se zrychlují. Ale pod trhlinou, řekl Shen, je Moho spíše rozmazaný než ostrý."Jeho struktura byla zničena," řekl.
Také vidí důkaz něčeho, čemu se říká magmatické podložení. "Myslíme si, že magma se mohlo zachytit nebo zastavit v Moho nebo v kůře během svého výstupu na povrch," řekl. To by mohlo vysvětlovat, proč je Moho tak narušeno, ačkoli Shen může vymyslet alternativní vysvětlení a očekává, že v GSA proběhnou živé diskuse.
Porovnává snímky trhliny Midcontinent vytvořené pomocí pole SPREE se snímky trhliny Rio Grande vytvořené pomocí podobného seismického pole zvaného La Ristra. Snímky z La Ristra ukazují, že trhlina Rio Grande je tenčí než okolní kůra, nikoli tlustší. Moho je čistý a spíše stoupá, než by se potápěl pod trhlinou.
"Myslím, že se díváme na různé fáze trhliny," řekl Shen. Rift Rio Grande je stále aktivní, stále se otevírá, ale trhlina Midcontinent Rift je již mrtvá a byla zmáčknuta.
Wiens poznamenal, že ohromný výlev magmatu z trhliny Midcontinent Rift mohl také narušit její strukturu, takže vypadá odlišně od ostatních trhlin.
„Mým cílem,“řekl Shen, „je poskytnout základní seismické modely zajímavých tektonických oblastí, jako je tato, k použití geologům, geochemikům a vědcům z jiných oborů – pomoci jim interpretovat jejich výsledky a také pomoci veřejnosti. aby lépe porozuměli příběhu země, na které žijí."
Rural Minnesota je již na palubě. "Někteří vlastníci půdy se docela zajímali o to, co děláme," řekl Wiens. "Dostali jsme se do jedněch nebo dvou maloměstských novin. 'Ten a ten má teď na své farmě seismometr,' zněl titulek."
