在地球核心附近发现了意外的广泛结构-“全新视角”

地震在地球上传播声波。地震图记录了这些波沿着岩心-地幔边界传播，在致密的岩石结构周围发生衍射和弯曲的回波。马里兰大学的最新研究提供了这些结构的第一个广阔视野，揭示了它们比以前已知的更为广泛。

马里兰大学的研究人员首先对数百次地震进行同时分析，以识别地球深处特征的回波。

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的记录，以识别来自地球熔融核和其上方固体幔层之间边界的回波。回波显示出比以前已知的更广泛的异质结构，即在地幔边界处异常密集的热岩石区域。

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。更好地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过程。这些知识可能为板块构造的工作以及我们星球的演化提供线索。

这项新的研究以如此详细的分辨率提供了大范围区域内地幔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。

上图显示了地球内部深处被称为超低速带的炽热致密岩石区域如何弯曲和衍射由地震产生的声波。在对地震图记录的衍射波进行的新分析中，UMD地质学家发现，在Marquesas下方有一个新的ULVZ，而在夏威夷下方则有一个比以前已知的更大的ULVZ。

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。

UMD系博士后研究员Doyeon Kim表示：“通过一次查看数千个地幔边界回波，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。”地质学和该论文的主要作者。“这向我们表明，芯幔边界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地震波，行进数千英里。当波浪遇到岩石密度，温度或成分的变化时，它们会改变速度，弯曲或散射，从而产生可被检测到的回波。来自附近建筑物的回声到达的速度更快，而来自较大建筑物的回声则更大。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地图环境的方式。

地震在这里被看作是黄色的星星，它们通过地球发出声波。地震图在这里被看作是蓝色三角形，记录了这些波沿着核心—地幔边界传播，在致密岩石结构周围发生衍射和弯曲的回波。马里兰大学的最新研究提供了这些结构的第一个广阔视野，揭示了它们比以前已知的更为广泛。

在这项研究中，Kim和他的同事们寻找了一种特定类型的波（称为剪切波）沿着芯幔边界传播时产生的回波。在一次地震的记录（称为地震图）中，衍射剪切波的回波可能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。

研究人员使用一种称为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张地震图。这项技术是由约翰·霍普金斯大学和特拉维夫大学的这项新研究的共同作者开发的，旨在发现遥远恒星和星系辐射的模式。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。

“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幔底部结构的新见解，而这些结构在很大程度上仍然是个谜，”金说。

该研究揭示了核幔边界结构的一些意外之处。

UMD地质学副教授，该研究的合著者VedranLekić说：“我们在所有地震波路径中大约40％处发现了回波。”“这令人惊讶，因为我们期望它们会更稀有，这意味着在地幔边界处的异常结构比以前认为的要广泛得多。”

科学家们发现，夏威夷下方岩心-地幔边界上的一块很大的非常致密的高温物质产生了独特的响亮回声，表明它甚至比以前的估计还要大。这种斑块被称为超低速带（ULVZ），位于火山羽的根部，那里的热岩从岩心幔边界区域升起，形成火山岛。夏威夷以下的超低电压区是已知的最大的。

这项研究还发现了在马克萨斯群岛下方的一个先前未知的超轻武器区。

莱基奇说：“我们惊讶地发现，在马克萨斯群岛下面有如此大的地貌，我们以前从未发现过。”“这真的很令人兴奋，因为它显示了Sequencer算法如何以前所未有的方式帮助我们将全球地震图数据关联起来。”

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参考：“测序地震图：核心—地幔边界区域的散射全景图”，D。Kim，V。Lekić，B。Ménard，D。Baron和M. Taghizadeh-Popp，2020年6月12日，Science.DOI：
10.1126 / science.aba8972

这项工作得到了Packard基金会奖学金和美国国家科学基金会（授予EAR1352214的资助）的支持。本文的内容不一定反映这些组织的观点。