地球物理學家:在地球核心附近發現意外的廣泛結構

2020-12-05 量子認知

馬裡蘭大學的地球物理學家分析了成千上萬條地震波和通過地球傳播的聲波的記錄,以識別來自地球熔融核和其上方固體地幔邊界的回波。回波顯示出比以前已知的更廣泛的異質結構,即在地幔邊界處異常密集的熱巖石區域。

如上圖所示地震在地球上傳播聲波。地震波記錄了這些波沿著巖心-地幔邊界傳播,在緻密的巖石結構周圍衍射和彎曲的回波。該最新研究提供了這些結構的第一個廣闊視野,揭示了它們比以前已知的更為廣泛。

科學家過去不確定這些結構的組成,以前的研究僅提供了有限的觀點。更好地了解它們的形狀和範圍可以幫助揭示地球深處發生的地質過程。這些認知可能為板塊構造的工作以及我們星球的演化提供線索。

研究人員專注於在太平洋海盆下面傳播的地震波的回波。他們的分析揭示了南太平洋火山口馬克斯薩斯群島下面一個以前未知的結構,並表明夏威夷群島下面的結構比以前已知的要大得多。

研究人員表示:「通過一次查看數千個地幔邊界回波,而不是像通常那樣一次只關注幾個回波,我們有了一個全新的視角。」「這向我們表明,芯幔邊界區域具有許多可以產生這些回波的結構,而這是我們以前從未意識到的只有狹窄的視野。」

如上圖所示地球內部深處被稱為超低速帶(ultralow-velocity zones,簡稱:ULVZs)的高溫緻密巖石區域如何彎曲和衍射由地震產生的聲波。在對地震圖記錄的衍射波進行的新分析中,地球物理學家發現一個新的超低速帶,而在夏威夷之下有一個更大的超低速帶,比以前知道的更大。

地震在地表以下產生了行進數千英裡的地震波。當波浪遇到巖石密度,溫度或成分的變化時,它們會改變速度、彎曲或散射,從而產生可以被檢測到的回波。來自附近建築物的回聲更快地到達,而來自較大建築物的回聲則更大。通過測量這些回波到達不同位置的地震儀時的傳播時間和振幅,科學家可以開發出隱藏在地表以下的巖石物理特性的模型,此過程類似於蝙蝠回聲定位地圖環境的方式。

在這項研究中,研究人員尋找了一種特定類型的、稱為剪切波的波,在沿芯幔邊界傳播時產生的回波。在一次地震的稱為地震圖的記錄中,衍射剪切波的回波很難與隨機噪聲區分開。但是,一次查看來自許多地震的許多地震圖可以發現相似性和模式,從而識別出隱藏在數據中的回波。

研究人員使用一種名為序列器(英語:Sequencer的機器學習算法,分析了1990年至2018年太平洋海盆周圍發生的數百次6.5級及以上地震的7,000張地震圖。序列器由約翰霍普金斯大學和特拉維夫的研究研究人員共同新開發出的尋找遙遠恆星和星系輻射的模式算法。當應用於地震地震圖時,該算法發現了大量的剪切波回波。

研究人員說:「地球科學中的機器學習正在迅速發展,像序列器這樣的方法使我們能夠系統地探測地震回波,並獲得對地幔底部結構的新見解,而這些結構在很大程度上仍然是個謎。」

該研究揭示了芯幔邊界結構的一些意外之處。如上面動畫所示,地震在這裡被看作是黃色的星星,它們通過地球發出聲波。地震圖在這裡被看作是藍色三角形,記錄了這些波沿著巖心-地幔邊界傳播,在緻密巖石結構周圍衍射和彎曲的回波。這一最新研究提供了這些結構的第一個廣闊視野,揭示了它們比以前已知的更為廣泛。

研究人員說:「我們在所有地震波路徑中發現了大約40%的回波。」 「這令人驚訝,因為我們過去以為它們很稀有,這意味著在地幔邊界處的異常結構比以前認為的要廣泛得多。」「這真的很令人興奮,因為它顯示了像序列器這樣的算法如何以前所未有的方式幫助我們將全球地震圖數據關聯起來。」

這項新的研究以如此詳細的解析度提供了大範圍區域內地幔邊界的第一個綜合視圖。該研究發表在今天的《科學》雜誌上。

參考:Sequencing seismograms: A panoptic view of scattering in the core-mantle boundary region. Science. 12 Jun 2020

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