Ученые обнаружили неизвестные структуры вблизи ядра Земли
Новое исследование дает первое полное представление о границе ядро-мантия на обширной территории с таким детальным разрешением
Геофизики Университета Мэриленда проанализировали тысячи записей сейсмических волн, проходящих через Землю, чтобы выявить эхо-сигналы от границы между расплавленным ядром Земли и твердым слоем мантии над ним. Отголоски выявили распространенные, неоднородные структуры — области необычно плотных, горячих пород — на границе ядро-мантия.
Ученые не уверены в составе этих структур, и предыдущие исследования предоставили лишь ограниченное представление о них. Лучшее понимание их формы и степени может помочь выявить геологические процессы, происходящие глубоко внутри Земли. Это знание может дать ключ к пониманию работы тектоники плит и эволюции нашей планеты.
Новое исследование дает первое полное представление о границе ядро-мантия на обширной территории с таким детальным разрешением. Исследование было опубликовано в выпуске журнала Science.
Исследователи сосредоточились на отражении сейсмических волн, распространяющихся под бассейном Тихого океана. Их анализ выявил ранее неизвестную структуру под вулканическими Маркизскими островами в южной части Тихого океана и показал, что структура под Гавайскими островами намного больше, чем считалось ранее.
«Рассматривая тысячи эхо-сигналов границы ядра и мантии одновременно, вместо того, чтобы сосредоточиться на нескольких за раз, как это обычно делается, мы получили совершенно новую перспективу», — сказал Доён Ким, ведущий автор статьи.
«Это показывает нам, что у пограничной области ядро-мантия есть много структур, которые могут производить такие эхо, и это было то, чего мы раньше не осознавали, потому что у нас был только узкий взгляд».
Землетрясения порождают сейсмические волны под поверхностью Земли, которые распространяются на тысячи километров. Когда волны сталкиваются с изменениями плотности породы, температуры или состава, они меняют скорость, изгибаются или рассеиваются, производя эхо, которое можно обнаружить.
Эхо от соседних структур поступает быстрее, в то время как эхо от более крупных структур — громче. Измеряя время прохождения и амплитуду этих эхо-сигналов по мере их поступления на сейсмометры в различных местах, ученые могут разрабатывать модели физических свойств горных пород, скрытых под поверхностью. Этот процесс похож на то, как летучие мыши эхолокируют для отображения своей окружающей среды.
Для этого исследования ученые искали Эхо, генерируемое определенным типом волны, называемой сдвиговой волной, когда она движется вдоль границы ядро-мантия. В записи одного землетрясения, известной как сейсмограмма, эхо от дифрагированных сдвиговых волн может быть трудно отличить от случайного шума. Но, глядя на многие сейсмограммы от многих землетрясений сразу, можно обнаружить сходство и закономерности, которые идентифицируют Эхо, скрытое в данных.
Используя алгоритм машинного обучения под названием Sequencer, исследователи проанализировали 7000 сейсмограмм сотен землетрясений магнитудой 6,5 и более, произошедших в бассейне Тихого океана с 1990 по 2018 год.
Sequencer был разработан соавторами нового исследования из Университета Джона Хопкинса и Тель-Авивского университета, чтобы найти закономерности в излучении от далеких звезд и галактик. При применении к сейсмограммам от землетрясений алгоритм обнаружил большое количество эхо-сигналов сдвиговых волн.
«Машинное обучение в науке о земле быстро растет, и такой метод, как секвенсор, позволяет нам систематически обнаруживать сейсмические отголоски и получать новые знания о структурах в основании мантии, которые ранее остались в значительной степени загадочными».
Исследование выявило несколько неожиданностей в структуре границы ядро-мантия.
«Мы обнаружили эхо примерно на 40% всех траекторий сейсмических волн», — говорят ученые. «Это было удивительно, потому что мы ожидали, что они будут более редкими, и это означает, что аномальные структуры на границе ядра и мантии гораздо более распространены, чем считалось ранее.»
Ученые обнаружили, что большое пятно очень плотного, горячего материала на границе ядра и мантии под Гавайями производит уникально громкое эхо, указывающее на то, что оно даже больше, чем предыдущие оценки.
Такие участки, известные как зоны сверхнизких скоростей (ULVZ), находятся у корней вулканических шлейфов, где горячие породы поднимаются из пограничной области ядро-мантия, образуя вулканические острова. ULVZ под Гавайскими островами является самым крупным из известных.
Исследование также обнаружило ранее неизвестный ULVZ под Маркизскими островами.
«Мы были удивлены, обнаружив под Маркизскими островами такой большой объект, о существовании которого раньше даже не подозревали», — говорят исследователи.
«Это действительно интересно, потому что показывает, как алгоритм Sequencer может помочь нам контекстуализировать данные сейсмограмм по всему миру так, как мы не могли делать раньше.»
«Sequencing seismograms: A panoptic view of scattering in the core-mantle boundary region» Science (2020). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aba8972