Jordbävningar skickar ljudvågor genom jorden. Seismogram registrerar ekon när dessa vågor reser längs kärnmantelgränsen, diffraktion och böjning kring täta bergstrukturer. Ny forskning från University of Maryland ger den första breda synen på dessa strukturer, avslöjar att de är mycket mer utbredda än tidigare känt. Upphovsman:Doyeon Kim/University of Maryland
University of Maryland geofysiker analyserade tusentals inspelningar av seismiska vågor, ljudvågor som reser genom jorden, för att identifiera ekon från gränsen mellan jordens smälta kärna och det fasta mantelskiktet ovanför den. Ekon avslöjade mer utbredd, heterogena strukturer - områden med ovanligt täta, het sten-vid kärnmantelgränsen än tidigare känt.
Forskare är osäkra på sammansättningen av dessa strukturer, och tidigare studier har endast gett en begränsad syn på dem. Bättre förståelse av deras form och omfattning kan hjälpa till att avslöja de geologiska processer som sker djupt inne i jorden. Denna kunskap kan ge ledtrådar till hur platttektonik fungerar och utvecklingen av vår planet.
Den nya forskningen ger den första övergripande bilden av kärnmantelgränsen över ett brett område med så detaljerad upplösning. Studien publicerades den 12 juni, 2020, nummer av tidningen Vetenskap .
Forskarna fokuserade på ekon av seismiska vågor som färdades under Stilla havet. Deras analys avslöjade en tidigare okänd struktur under de vulkaniska Marquesasöarna i södra Stilla havet och visade att strukturen under Hawaiiöarna är mycket större än tidigare känt.
"Genom att titta på tusentals kärnmantelgränsekon på en gång, istället för att fokusera på några i taget, som man brukar göra, vi har fått ett helt nytt perspektiv, "sa Doyeon Kim, en postdoktor vid UMD Institutionen för geologi och huvudförfattare till uppsatsen. "Detta visar oss att kärnmantelgränsområdet har många strukturer som kan producera dessa ekon, och det var något vi inte insåg tidigare eftersom vi bara hade en smal syn. "
Bilden ovan visar hur områden med heta, tät sten som kallas ultralåg hastighetszoner djupt inne i jordböjningen och diffrakta ljudvågor som produceras av jordbävningar. I en ny analys av de diffrakterade vågorna som registrerats av seismogram, UMD -geologer avslöjar en ny ULVZ under Marquesas och en större ULVZ under Hawaii än tidigare känt. Upphovsman:Doyeon Kim/University of Maryland
Jordbävningar genererar seismiska vågor under jordens yta som färdas tusentals miles. När vågorna möter förändringar i bergtäthet, temperatur eller sammansättning, de ändrar hastighet, böja eller sprida, producerar ekon som kan detekteras. Ekon från närliggande strukturer kommer snabbare, medan de från större strukturer är högre. Genom att mäta restiden och amplituden för dessa ekon när de anländer till seismometrar på olika platser, forskare kan utveckla modeller av de fysiska egenskaperna hos berg som är gömda under ytan. Denna process liknar hur fladdermöss ekolokerar för att kartlägga sin miljö.
För denna studie, Kim och hans kollegor letade efter ekon som genererades av en viss typ av våg, kallas en skjuvvåg, när den färdas längs kärnmantelgränsen. I en inspelning från en enda jordbävning, kallas seismogram, ekon från diffrakterade skjuvvågor kan vara svåra att skilja från slumpmässigt brus. Men att titta på många seismogram från många jordbävningar samtidigt kan avslöja likheter och mönster som identifierar ekon som döljs i data.
Med hjälp av en maskininlärningsalgoritm som kallas Sequencer, forskarna analyserade 7, 000 seismogram från hundratals jordbävningar av 6,5 och större som inträffade runt Stilla havet från 1990 till 2018. Sequencer utvecklades av den nya studiens medförfattare från Johns Hopkins University och Tel Aviv University för att hitta mönster i strålning från avlägsna stjärnor och galaxer . När det appliceras på seismogram från jordbävningar, algoritmen upptäckte ett stort antal skjuvvågsekon.
"Maskininlärning inom jordvetenskap växer snabbt och en metod som Sequencer gör att vi systematiskt kan upptäcka seismiska ekon och få ny inblick i strukturerna vid mantelns bas, som har förblivit i stort sett gåtfulla, "Sa Kim.
Studien avslöjade några överraskningar i strukturen av kärnmantelgränsen.
Jordbävningar, ses som gula stjärnor här, skicka ljudvågor genom jorden. Seismogram, ses som blå trianglar här, registrera ekon när dessa vågor reser längs kärnmantelgränsen, diffraktion och böjning kring täta bergstrukturer. Ny forskning från University of Maryland ger den första breda synen på dessa strukturer, avslöjar att de är mycket mer utbredda än tidigare känt. Upphovsman:Doyeon Kim/University of Maryland
"Vi hittade ekon på cirka 40% av alla seismiska vågbanor, "sa Vedran Lekic, docent i geologi vid UMD och medförfattare till studien. "Det var förvånande eftersom vi förväntade oss att de skulle vara mer sällsynta, och vad det betyder är att de avvikande strukturerna vid kärnmantelgränsen är mycket mer utbredda än man tidigare trott. "
Forskarna fann att den stora fläcken av mycket tät, hett material vid kärnmantelgränsen under Hawaii producerade unikt höga ekon, vilket indikerar att den är ännu större än tidigare uppskattningar. Känd som ultralåg hastighetszoner (ULVZ), sådana fläckar finns vid rötterna till vulkaniska plommon, där het sten stiger upp från kärnmantelgränsområdet för att producera vulkaniska öar. ULVZ under Hawaii är den största kända.
Denna studie hittade också en tidigare okänd ULVZ under Marquesasöarna.
"Vi blev förvånade över att hitta en så stor funktion under Marquesasöarna som vi inte ens visste fanns tidigare, "Lekic sa." Det här är riktigt spännande, för det visar hur sekvensalgoritmen kan hjälpa oss att kontextualisera seismogramdata över hela världen på ett sätt som vi inte kunde tidigare. "
