未解之谜 科学家发现地核附近的「广泛...

科学家发现地核附近的「广泛结构」

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在此图中,地震将声波发送通过地球。地震图记录了回波沿着地球的地幔边界传播的过程。

【新三才首发】美国马里兰大学的地球物理学家分析了成千上万条地震波和通过地球传播的声波记录,以识别来自地球熔融核(core)和其上方固体地函(mantle)边界的回波。这些回波显示出比以前已知的更广泛、异质的结构-在地函边界处异常稠密、炽热的岩石区域。

科学家不确定这些结构的组成,以前的研究仅提供了有限的观点。现在更了解它们的形状和范围可以帮助揭示地球深处发生的地质演变过程。这些知识可能为板块构造的工作以及地球的演化提供线索。

这项新的研究以详细的分辨率提供了大范围区域内地函边界的第一个综合视图。该研究发表在2020年6月12日的《科学》杂志上。

研究人员专注于在太平洋海盆下面传播的地震波的回波。他们的分析揭示了南太平洋火山口马克斯萨斯群岛下面一个以前未知的结构,并表明夏威夷群岛下面的结构比以前已知的要大得多。这种结构被称为超低速(ULV)区,直径约1000公里,厚25公里。这些结构之所以被称为超低速带,是因为地震波以较慢的速度穿过它们,但是它们的构成仍然是个谜。它们在化学上可能不同于地球的地核铁镍合金和地函矽酸盐,或者具有不同的热学性质。

马里兰大学地质系(University of Maryland Department of Geology,UMD)博士后研究员,地质学和论文的主要作者Doyeon Kim表示,「通过一次查看数千个地函边界回波,而不是像通常那样一次只关注几个回波,我们有了一个全新的视角。」「这向我们表明,地核、地函边界(core-mantle boundary)区域具有许多可以产生这些回波的结构,而这是我们以前从未意识到的,因为我们只有狭窄的视野。」

地震在地表以下产生了行进数千英里的地震波。当震波遇到岩石密度、温度或成分的变化时,它们会改变速度,弯曲或散射,从而产生可以被检测到的回波。来自附近结构的回声更快地到达,而来自较大结构物的回声则更大。通过测量这些回波到达不同位置的地震仪时的传播时间和振幅,科学家可以开发出隐藏在地表以下的岩石物理特性的模型。此过程类似于蝙蝠回声定位绘制其环境图的方式。

在这项研究中,Kim和他的同事寻找了一种特定类型的波,在沿地核地函边界传播时产生的回波,称为剪切波(secondary wave, S-wave)。在一次性的地震记录(称为地震图)中,从衍射剪切波的回波很难与随机噪声区分开。但是,一次查看来自许多地震的许多地震图可以发现相似性和模式,从而识别出隐藏在数据中的回波。

研究人员使用一种名为Sequencer的机器学习算法,分析了1990年至2018年太平洋海盆周围发生的数百次6.5级及以上地震的7,000个地震图。Sequencer由约翰霍普金斯大学和特拉维夫大学的新研究共同作者为寻找遥远恒星和星系的辐射模式而开发。当应用于地震的地震图时,该算法发现了大量的剪切波回波。

Kim说:「地球科学中的机器学习正在迅速发展,像Sequencer这样的方法使我们能够系统地探测地震回波,并获得对地函底部结构的新见解,而这些结构在很大程度上仍然是个谜。」「这项研究非常特别,因为这是我们第一次系统地研究如此大的数据集,实际上它或多或少地覆蓋了整个太平洋海盆。」他说,尽管科学家此前已经绘制出了地球深处的结构图,但这项研究提供了一个难得的机会,「将所有事物整合在一起,并试图在全球范围内对其进行解释。」

该研究的合著者,UMD地质学副教授Vedran Lekić说:「我们在所有地震波路径中大约40%都发现了回波。」「这令人惊讶,因为我们本来以为它们会更稀有,这意味着在地函边界处的异常结构比以前认为的要广泛得多。」

Kim说:「地球的地函是热对流发生的地方,它实际上是热点火山活动以及板块构造的驱动机制。」他说研究地函很重要,因为它可以揭示地球结构如何随着时间发展和变化。

(编译:雪丽)

(责任编辑:姜启明)

(文章来源:新三才首发)

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