Анализирани са хиляди записи на сеизмични вълни, звукови вълни, пътуващи през Земята, за да се идентифицира ехото от границата между разтопеното ядро на Земята и плътния слой на мантията над нея.
Ехото разкри по-широко разпространени, нееднородни структури - области с необичайно плътна, гореща скала - на границата между ядрото и мантията непознати досега.
Предишните проучвания предоставят само ограничен поглед върху тях и съставът на тези структури не е много ясен. По-доброто разбиране на тяхната форма и степен може да помогне да се разкрият геоложките процеси, протичащи дълбоко в Земята. Тези знания могат да дадат повече информация за работата на тектониката на плочите и еволюцията на нашата планета.
Новото изследване осигурява първия цялостен поглед върху границата между ядрото и мантията над обширен район с такава подробна резолюция. Изследването е публикувано в броя от 12 юни, 2020 г. на списание Science.
Изследователите се фокусират върху ехото на сеизмичните вълни, пътуващи под басейна на Тихия океан. Техният анализ разкри неизвестна досега структура под вулканичните Маркизки острови в Южния Тихи океан и показа, че структурата под Хавайските острови е много по-голяма от предполаганото досега.
"Преглеждайки едновременно хиляди отгласи от границата ядро-мантия, вместо да се съсредоточим само върху няколко наведнъж, както обикновено се прави, ние добихме напълно нова перспектива", разказва водещият автор на статията Дойон Ким (Doyeon Kim), геофизик от Университета на Мериленд. „Това ни показва, че граничната зона между ядрото и мантията има много структури, които могат да произведат тези ехота и това бе нещо, което не осъзнавахме преди, защото имахме доста стесен поглед.“
Горното изображение показва как области от гореща, плътна скала, наречена зони с ултраниска скорост (ultralow-velocity zones - ULVZ) дълбоко в земята, предизвикват пречупване и дифракция на звуковите вълни, произведени от земетресения. В нов анализ на дифракционните вълни, регистрирани от сеизмограмите, геолозите на UMD разкриват нови ULVZ и по-големи ULVZ под Хавай от познатите досега. Кредит: Doyeon Kim/University of Maryland
Земетресенията генерират сеизмични вълни под земната повърхност, които изминават хиляди километри. Когато вълните срещнат промени в плътността, температурата или състава на скалата, те променят скоростта си, пречупват се или се разпръскват, произвеждайки ехо, по което могат да бъдат открити.
Отзвуците от по-близките структури пристигат по-бързо, а тези от по-големите структури са по-силни. Чрез измерване на времето на пътуване и амплитудата на тези ехота, докато стигат до сеизмометри на различни места, учените могат да разработят модели на физическите свойства на скалите, скрити под повърхността. Този процес е подобен на начина, по който прилепите използват ехото, за да картографират средата си.
За това проучване Ким и неговите колеги търсят отзвуци, генерирани от специфичен тип вълни, наречени напречни срязващи вълни, достигащи до границата между ядрото и мантията. В записа от едно земетресение, т. нар. сеизмограма, ехото от дифракцията на срязващите вълни трудно може да се различи от случаен шум. Но прегледът на много сеизмограми от много земетресения наведнъж може да разкрие прилики и закономерности, които идентифицират ехото, скрито в данните.
Използвайки алгоритъм за машинно обучение, наречен Sequencer, изследователите анализират 7000 сеизмограми от стотици земетресения с магнитуд 6,5 и по-големи, възникващи около басейна на Тихия океан от 1990 до 2018 г. Sequencer е разработен от съавторите на новото изследване от Университета Джонс Хопкинс и Университета на Тел Авив, за да намерят закономерности в радиацията от далечни звезди и галактики. Когато се прилага за сеизмограми от земетресения, алгоритъмът открива голям брой ехота от срязващи вълни.
"Машинното обучение в науките за земята бързо се разпространява и методи като Sequencer ни позволяват да откриваме систематично сеизмични ехота и да получаваме нова представа за структурите в основата на мантията, които до голяма степен остават загадъчни", коментира Ким.
Проучването разкри няколко изненади в структурата на границата между ядрото и мантията.
Земетресенията, отбелязани като жълти звезди, изпращат звукови вълни през Земята. Сеизмографите, показани като сини триъгълници тук, записват ехото, докато тези вълни пътуват по границата ядро-мантия, разсейвайки се и пречупвайки се от плътни скални структури. Нови изследвания от Университета в Мериленд предоставят първия широк поглед върху тези структури, разкривайки, че те са много по-широко разпространени отколкото бе известно досега. Кредит: Doyeon Kim/University of Maryland
„Открихме ехото на около 40% от всички пътища на сеизмичните вълни“, разказва Ведран Лекич (Vedran Lekic), доцент по геология в UMD и съавтор на изследването. "Това бе изненадващо, защото очаквахме те да са по-редки и това означава, че аномалните структури на границата между ядрото и мантията са много по-широко разпространени, отколкото се смяташе досега."
Учените откриват, че големият участък от много плътен, горещ материал на границата между ядрото и мантията под Хаваите произвежда уникално силни ехота, което показва, че той е дори по-голям от предишните оценки. Известни като зони на ултрависока скорост (ULVZ), такива петна се намират в корените на вулканичните потоци, където горещата скала се издига от граничната зона между ядрото на мантията и произвеждат вулканични острови. ULVZ зоната под Хавай е най-големата известна.
Това проучване открива и неизвестна досега ULVZ зона под Маркизките острови.
„Това е наистина вълнуващо, защото показва как алгоритъмът Sequencer може да ни помогне да контекстуализираме данните от сеизмограмата по целия свят по нов начин“, коментира Лекич.
Справка: "Sequencing seismograms: A panoptic view of scattering in the core-mantle boundary region" Science (2020). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aba8972
Източник: Scientists detect unexpected widespread structures near Earth's core, University of Maryland
