未解之謎 科學家發現地核附近的「廣泛...

科學家發現地核附近的「廣泛結構」

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在此圖中,地震將聲波發送通過地球。地震圖記錄了回波沿著地球的地幔邊界傳播的過程。

【新三才首發】美國馬里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記錄,以識別來自地球熔融核(core)和其上方固體地函(mantle)邊界的回波。這些回波顯示出比以前已知的更廣泛、異質的結構-在地函邊界處異常稠密、熾熱的岩石區域。

科學家不確定這些結構的組成,以前的研究僅提供了有限的觀點。現在更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演變過程。這些知識可能為板塊構造的工作以及地球的演化提供線索。

這項新的研究以詳細的分辨率提供了大範圍區域內地函邊界的第一個綜合視圖。該研究發表在2020年6月12日的《科學》雜誌上。

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。這種結構被稱為超低速(ULV)區,直徑約1000公里,厚25公里。這些結構之所以被稱為超低速帶,是因為地震波以較慢的速度穿過它們,但是它們的構成仍然是個謎。它們在化學上可能不同於地球的地核鐵鎳合金和地函矽酸鹽,或者具有不同的熱學性質。

馬里蘭大學地質系(University of Maryland Department of Geology,UMD)博士後研究員,地質學和論文的主要作者Doyeon Kim表示,「通過一次查看數千個地函邊界回波,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,地核、地函邊界(core-mantle boundary)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,因為我們只有狹窄的視野。」

地震在地表以下產生了行進數千英里的地震波。當震波遇到岩石密度、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。來自附近結構的迴聲更快地到達,而來自較大結構物的迴聲則更大。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岩石物理特性的模型。此過程類似於蝙蝠迴聲定位繪製其環境圖的方式。

在這項研究中,Kim和他的同事尋找了一種特定類型的波,在沿地核地函邊界傳播時產生的回波,稱為剪切波(secondary wave, S-wave)。在一次性的地震記錄(稱為地震圖)中,從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個地震圖。Sequencer由約翰霍普金斯大學和特拉維夫大學的新研究共同作者為尋找遙遠恆星和星系的輻射模式而開發。當應用於地震的地震圖時,該算法發現了大量的剪切波回波。

Kim說:「地球科學中的機器學習正在迅速發展,像Sequencer這樣的方法使我們能夠系統地探測地震回波,並獲得對地函底部結構的新見解,而這些結構在很大程度上仍然是個謎。」「這項研究非常特別,因為這是我們第一次系統地研究如此大的數據集,實際上它或多或少地覆蓋了整個太平洋海盆。」他說,儘管科學家此前已經繪製出了地球深處的結構圖,但這項研究提供了一個難得的機會,「將所有事物整合在一起,並試圖在全球範圍內對其進行解釋。」

該研究的合著者,UMD地質學副教授Vedran Lekić說:「我們在所有地震波路徑中大約40%都發現了回波。」「這令人驚訝,因為我們本來以為它們會更稀有,這意味著在地函邊界處的異常結構比以前認為的要廣泛得多。」

Kim說:「地球的地函是熱對流發生的地方,它實際上是熱點火山活動以及板塊構造的驅動機制。」他說研究地函很重要,因為它可以揭示地球結構如何隨著時間發展和變化。

(編譯:雪麗)

(責任編輯:姜啟明)

(文章來源:新三才首發)

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