В наиболее глубокой части нижней мантии (в подошве мантии), как и в наиболее верхней части мантии предполагается наличие крупномасштабных и ярко выраженных плюмов. Если плюмы зарождаются в низах мантии, то они извлекают горячий материал из широкой области мантии. Поэтому можно ожидать наличие областей с пониженной скоростью размером порядка 1000 км и более. Так же отметим, что чем глубже находится плюм в мантии, тем труднее определить его местоположение для заданной горячей точки, так как он может быть смещен более чем на 1000 км “мантийным ветром” [Steinberger & O’Connell 1998, Corrieu & Ricard 1999].
В низах мантии происходит много сложных явлений, для визуализации которых используются разнообразные сейсмологические инструменты.
Недавно обнаруженные зоны сверхнизких скоростей (ULVZ – Ultra-Low Velocity Zones) в самых низах мантии, которые находятся преимущественно под горячими точками.
Глобальный обзор зон ультранизкой скорости (ULVZ).
Свидетельства присутствия зон с ультра низкими скоростями Р-волн в основании мантии были обнаружены в процессе детального анализа SPdKS волн [Garnero & Helmberger 1995, Garnero et al 1998].
Рис 1. Лучевая схема SPdKS / SKPdS волн. Волна SPdKS – это падающая волна SKS, которая падает сверху на границу мантия – ядро (CMB) под критическим углом и распространяется вдоль границы как диффрагированная P-волна (Pdiff) for some distance. Волна SKPdS – это S волна, проходящая в ядре и снизу подходящая к границе ядро – мантия под критическим углом. Зведочкой показан источник, треугольником – приемник. IC – Inner Core (внутреннее ядро), OC – Outer Core (внешнее ядро), CMB – Core-Mantle Boundary (граница ядро – мантия). [Rondenay, S., V. F. Cormier, and E. M. Van Ark (2010). “SKS and SPdKS sensitivity to two-dimensional ultralow-velocity zones.” J. Geophys. Res., 115, B04311, doi:10.1029/2009JB006733. ©2010 by the American Geophysical Union.]
Рис. 2. Зона сверхнизких скоростей (ULVZ – Ultra-Low Velocity Zones) в основании мантии. Красным цветом закрашены области, где эта зона обнаружена, а области, где эта зона отсутствует, закрашены синим цветом. Белым цветом закрашены не изученные регионы. Желтыми кружками обозначены горячие точки.
Скорость Р-волн уменьшается на 10%, что связано с частичным плавлением [Williams & Garnero 1996]. Поиски ультра низкоскоростных проведены для большей части Земли и поэтому становится актуальной задача поиска возможной корреляции между этими зонами и местоположением горячих точек. В работа [Williams et al 1998] эта сопоставление было представлено (Рис. 2). Связь с конкретными плюмами не совсем очевидна, на эта корреляция несомненно свидетельствует в пользу происхождения плюмов в основании мантии.
Региональные исследования: Гавайи.
Практическм сразу после зарождения гипотезы мантийных плюмов, сейсмологи заявили об имеющихся свидетельствах того, что источник Гавайской вулканической цепи находится в районе границы ядро – мантия.
В серии статей были изложены результаты детализации высокоскоростной аномалии залегающей в самых низах мантии в несколькиз градусах северовосточнее Гавайев [Kanasewich et al 1972, 1973; Kanasewich & Gutowski 1975]. Аномалия Р-волн, достигающая 10% была обнаружена в результате анализа фазовых скоростей прямой Р-волны и дифрагированной в ядре Р-волны между двумя короткопериодными сейсмическими группами в Канаде. Реальность этой аномалии подверглась сомнению [Wright 1975], так как 1) такие высокие скорости не согласуются с данными других наблюдений поГавайскому региону; и 2) интерпретация не является однозначной, и эту аномалию можно объяснить, например, особенностями строения литосферы под сейсмическими группами. Так же сам процесс обработки волн Pdiff вызывает ряд вопросов. Авторы были убеждены в своей правоте [Kanasewich et al 1975]. Недавно построенные скоростные модели Р-волн высокого разрешения свидетельствую в пользу пониженных скоростей в том же регионе. Следует признать, что интерпретация Канасевича неоднозначна.
Последующии сейсмологические базировались на удачном географическом расположении Гавайского региона: часть основания мантии Гавайев располагается посередине, между зоной субдукции Тонга – активного сейсмического региона и Северной Америкой, где расположена густая сеть сейсмологических станций. В результате, в конце 90-х была обнаружена область быстро меняющихся скоростей S-волн в 1000 км юго-восточнее Гавайев [Russell et al 1998]. Так же была обнаружена изменчивость анизотропии скоросткй S-волн для того же региона, которые согласуются со схемой течения потока от субгоризонтального, в удалении от плюма, до субвертикального внутри плюма. Нужно отметить, что аномалия располагается на значительном удалении от Гавайев, но именно такое взаимное расположение предсказывается моделью “мантийного ветра” [Steinberger & O’Connell 1998]. Эту аномалию можно связать с суперподнятием в южной части Тихого океана и нелегко привязать к Гавайям, несколькими градусами (~1000 км) юго-восточнее [Ji & Nataf 1998b].
Региональные исследования: Исландия.
В работе [Bijwaard & Spakman 1999] были представлены данные о низкоскоростной аномалии (около -0.5%) под Исландией, которая протягивается от поверхности до границы ядро – мантия. В наиболее нижней части мантии низкоскоростная аномалия, возможно, расположена под юго-западной частью Исландии. Так же обнаружена куполоподобная зона ультранизких скоростей [Helmberger et al 1998]. Купол может иметь диаметр 250 ки и располагаться под юго-западной частью Исландии и, в этом случае, аномалия достигает -30%. Однако существует компромиссное решение, согласно которому возможен свод больших размером и с меньшей аномалией. Необходимы специфические методы, которые позволят разобраться в вопросах взаимодействия сейсмических волн с плюмами в низах мантии. В частности, волны, преломленные ядром, имеют высокий потенциал, но нуждаются в обработке более подходящими методами. Недавно был разработан метод обработки рассеянных неоднородностями Sdiff волн в аппроксимации Борна. Применение этого метода к плюмоподобным структурам выявил возможность существования эффекта поляризации этих волн на этих структурах, но эффект очень мал для чисто термальных плюмов.