Science：地核-地幔边界处的超低速度带分布比预期更加广泛

来源：科研圈

马里兰大学的研究人员首次对数百次地震进行同步分析，以识别来自地球深处特征结构的回声。

图中展示的是地球深处的超低速度带如何弯曲和衍射地震产生的声波。超低速度带是炽热的，高密度的岩石区域。在对地震图记录的衍射波的最新分析中，马里兰大学的地质学家们在马克萨斯下发现了一个新的超低速度带，并且发现夏威夷下的超低速度带比之前所知的更大。图片来源：DOYEON KIM/UNIVERSITY OF MARYLAND

来源 马里兰大学

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马里兰大学（University of Maryland）的地球物理学家分析了数千份地震波记录，识别来自地球熔融内核和其上方固体地幔层之间边界的回声。地震波是穿过地球的声波。回声分析显示，在地核-地幔边界上，密度异常高的炽热岩石区域比以前所知分布更广、更不均质。

科学家仍不确定这些结构的组成，之前的研究也只提供了有限的观点。更好地了解它们的形状和范围有助于揭示地球内部深处发生的地质过程。这些知识可能为板块构造的运作和地球的演化提供线索。

这项新的研究首次以如此详细的分辨率，提供了大范围的地核-地幔边界视图。这项研究发表在 2020 年 6 月 12 日的《科学》（Science）杂志上。

研究人员集中研究了太平洋盆地下传播的地震波回声。他们的分析揭示了遍布火山的南太平洋马克萨斯群岛（Marquesas Islands）下的一个以前未知的结构，并发现夏威夷群岛下的结构比以前所知的要大得多。

论文的第一作者 Doyeon Kim 是马里兰大学地质学系的博士后研究员，他说：“通过同时分析数千个地核-地幔的边界回声，而不是像通常那样一次只关注几个，我们得到了一个全新的视角。该结果表明，地核-地幔边界区域有很多结构可以产生这些回声，这是我们之前没有意识到的，因为我们以前的视野很窄。”

地震在地表下产生的地震波可以传播数千英里。在岩石密度、温度或成分发生变化的区域，地震波会改变速度、弯曲或散射，产生可被探测到的回波。来自附近结构的回声返回较快，而来自较大结构的回声则更强。当这些回声到达不同地点的地震仪时，通过测量它们的传播时间和振幅，科学家们可以建立地表下隐藏岩石的物理特性模型。这个过程类似于蝙蝠用回声定位来描绘周围环境。

图片来源：DOYEON KIM/UNIVERSITY OF MARYLAND

在这项研究中，Kim 和同事们研究了地震波中的横波在地核-地幔边界传播时所产生的回声。在单次地震的记录中，即所谓的地震图（seismogram）中，衍射横波的回声很难与随机噪音区分开来。但同时观察多次地震的多个地震图可以揭示相似性和模式，从而识别隐藏在数据中的回声。

使用一种名为 Sequencer 的机器学习算法，研究人员分析了 1990 年至 2018 年太平洋盆地发生的数百次 6.5 级及以上地震的 7000 份地震图。Sequencer 由来自约翰•霍普金斯大学（Johns Hopkins University）和特拉维夫大学（Tel Aviv University）的本研究的共同作者开发，它原本用于探索来自遥远恒星和星系的辐射模式。当这个算法被应用于地震图时，它发现了大量的横波回波。

“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声，并对地幔底部的结构有新的了解，这些结构在很大程度上仍然是一个谜，”Kim 说。

这项研究揭示了地核-地幔边界结构的一些惊人之处。

该论文的共同作者 Vedran Lekić 是马里兰大学的地质学副教授，他说：“我们发现大约 40% 的地震波路径都有回声。这令人惊讶，因为我们原以为这些回声会更罕见。而这个发现意味着在地核-地幔边界的异常结构比之前人们所认为的要分布广泛得多。”

科学家们发现，在夏威夷下方的地核-地幔边界上有一块很大的高温、高密度物质，它能产生独特的响亮回声，这表明它比以前人们所估计的更大。它被称为超低速度带（ultralow-velocity zones，ULVZs），被发现于火山羽流（volcanic plume）的根部，在那里热岩石从地核-地幔边界区域升起，形成火山岛。夏威夷下方的超低速度带是目前已知最大的。

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速度带。

Lekić 说：“我们惊讶地发现马克萨斯群岛下竟有如此大的结构，而我们之前甚至不知道它的存在。这真的令人兴奋，因为它表明 Sequencer 算法可以帮助我们以一种以前无法做到的方式，将全球范围内的地震记录数据纳入研究中。”

原文链接：

https://eurekalert.org/emb_releases/2020-06/uom-sdu060520.php