地震通过地球发出声波。地震波沿着核-幔边界传播，在密集的岩石结构周围绕射和弯曲，地震波记录下了这些回声。马里兰大学的一项新研究首次提供了这些结构的广泛视野，揭示了它们比以前所知的广泛得多。图片来源:Doyeon Kim/马里兰大学
马里兰大学的研究人员首次同时分析数百次地震，以识别来自地球深处特征的回声。
马里兰大学的地球物理学家分析了数千份地震波的记录，通过地球传播的声波，来识别来自地球熔融地核和其上方固体地幔层边界的回声。回声揭示了比以前所知的更广泛的非均质结构——在核-地幔边界处异常密集的热岩石区域。
科学家们不确定这些结构的组成，以前的研究只提供了有限的观点。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。这些知识可能会为板块构造的运作和地球的演化提供线索。
这项新研究首次以如此详细的分辨率全面地观察了大范围内的核-幔边界。这项研究发表在2020年6月12日的《科学》杂志上。
上图显示了地球深处被称为超低速度带的炽热、致密的岩石区域是如何弯曲并衍射地震产生的声波的。在一项对地震波记录下的衍射波的新分析中，UMD的地质学家揭示了马克萨斯(Marquesas)地下有一个新的超低波区域，而夏威夷地下的超低波区域比我们之前知道的还要大。图片来源:Doyeon Kim/马里兰大学
研究人员重点研究了太平洋盆地下面传播的地震波的回声。他们的分析揭示了南太平洋马克萨斯火山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。
马里兰大学地质系博士后、该论文的第一作者Doyeon Kim说:“通过同时观察数千个核-地幔边界回声，而不是像通常那样每次只关注几个，我们获得了一个全新的视角。”“这向我们表明，核-地幔边界地区有很多可以产生这些回声的结构，这是我们以前没有意识到的，因为我们的视野很窄。
地震在地表下产生的地震波可以传播数千英里。当声波遇到岩石密度、温度或成分的变化时，它们会改变速度、弯曲或散射，产生可被探测到的回波。来自附近建筑的回声到达得更快，而来自较大建筑的回声则更响。通过测量这些回声到达不同地点的地震仪时的传播时间和振幅，科学家们可以建立隐藏在地表以下岩石物理特性的模型。这个过程类似于蝙蝠通过回声定位来绘制环境地图的方式。
在这里，地震就像黄色的星星一样，通过地球发出声波。图中蓝色的三角形记录了地震波沿着核-幔边界传播时的回声，在密集的岩石结构周围衍射和弯曲。马里兰大学的一项新研究首次提供了这些结构的广泛视野，揭示了它们比以前所知的广泛得多。图片来源:Doyeon Kim/马里兰大学
在这项研究中，Kim和他的同事寻找一种特定类型的波产生的回声，这种波被称为横波，它沿着核-地幔边界传播。在被称为地震记录的单一地震记录中，来自绕射横波的回声很难与随机噪声区分开来。但是，同时观察许多次地震的地震记录可以揭示出相似之处和模式，从而识别隐藏在数据中的回声。
研究人员使用一种名为测序器的机器学习算法，分析了1990年至2018年太平洋盆地周围发生的数百次6.5级以上地震的7000张地震记录。测序仪是由来自约翰霍普金斯大学和特拉维夫大学的新研究的共同作者开发的，以发现来自遥远恒星和星系的辐射模式。将该算法应用于地震记录时，发现了大量的横波回波。
金说:“地球科学中的机器学习正在迅速发展，像测序仪这样的方法使我们能够系统地检测地震回声，并对地幔底部的结构有新的见解，这些结构在很大程度上仍然是谜。”
这项研究揭示了核-幔边界结构的一些惊人之处。
“我们在大约40%的地震波路径上发现了回声，”马里兰大学地质学副教授、该研究的合著者Vedran Lekić说。“这令人惊讶，因为我们预计它们更罕见，这意味着在核-地幔边界的异常结构比以前认为的广泛得多。”
科学家们发现，夏威夷地核-地幔交界处的大片高密度高温物质产生了独特的巨大回声，这表明它比之前的估计还要大。这种被称为超低速度带(ULVZs)的斑块位于火山柱的根部，在那里，热岩石从核-地幔边界区域上升，产生火山岛。夏威夷下方的超低海拔区域是目前已知的最大的。
这项研究还在马克萨斯群岛下发现了一个以前不为人知的超低海拔区域。
Lekić网站说:“我们惊讶地发现，在马克萨斯群岛下面有这么大的特征，我们以前甚至不知道它的存在。”“这真的很令人兴奋，因为它表明，测序器算法可以帮助我们以一种我们以前无法做到的方式将全球的地震记录数据背景化。”
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参考文献:D. Kim, V. Lekić， B. Ménard, D. Baron和M. Taghizadeh-Popp, 2020年6月12日，Science。DOI: 10.1126 / science.aba8972
这项工作得到了帕卡德基金会奖学金和美国国家科学基金会的支持。EAR1352214)。本文的内容不一定反映这些组织的观点。
