Forskere opdager uventede udbredte strukturer nær Jordens kerne

University of Maryland geofysikere analyserede tusindvis af optagelser af seismiske bølger, lydbølger, der rejser gennem jorden, at identificere ekkoer fra grænsen mellem Jordens smeltede kerne og det faste kappelag over den. Ekkoerne afslørede mere udbredt, heterogene strukturer - områder med usædvanlig tætte, varm sten - ved kerne-kappegrænsen end tidligere kendt.

Forskere er usikre på sammensætningen af ​​disse strukturer, og tidligere undersøgelser har kun givet et begrænset overblik over dem. Bedre forståelse af deres form og omfang kan hjælpe med at afsløre de geologiske processer, der sker dybt inde i Jorden. Denne viden kan give spor til pladetektonikkens virkemåde og vores planets udvikling.

Den nye forskning giver det første omfattende billede af kerne-kappe-grænsen over et bredt område med så detaljeret opløsning. Undersøgelsen blev offentliggjort i juni 12, 2020, udgave af tidsskriftet Videnskab .

Forskerne fokuserede på ekkoer af seismiske bølger, der rejser under Stillehavets bassin. Deres analyse afslørede en hidtil ukendt struktur under de vulkanske Marquesas-øer i det sydlige Stillehav og viste, at strukturen under Hawaii-øerne er meget større end tidligere kendt.

"Ved at se på tusindvis af kerne-kappe grænseekkoer på én gang, i stedet for at fokusere på nogle få ad gangen, som man plejer, vi har fået et helt nyt perspektiv, " sagde Doyeon Kim, en postdoc ved UMD Institut for Geologi og hovedforfatteren af ​​papiret. "Dette viser os, at kerne-kappe-grænseområdet har masser af strukturer, der kan producere disse ekkoer, og det var noget, vi ikke var klar over før, fordi vi kun havde en snæver udsigt."

Jordskælv genererer seismiske bølger under jordens overflade, der rejser tusindvis af miles. Når bølgerne støder på ændringer i stendensiteten, temperatur eller sammensætning, de skifter hastighed, bøje eller sprede, producerer ekkoer, der kan detekteres. Ekkoer fra nærliggende strukturer kommer hurtigere, mens dem fra større strukturer er højere. Ved at måle rejsetiden og amplituden af ​​disse ekkoer, når de ankommer til seismometre forskellige steder, forskere kan udvikle modeller af de fysiske egenskaber af sten skjult under overfladen. Denne proces ligner den måde, flagermus ekkolokaliserer for at kortlægge deres miljø.

Til denne undersøgelse, Kim og hans kolleger ledte efter ekkoer genereret af en bestemt type bølge, kaldet en forskydningsbølge, da den bevæger sig langs kerne-kappegrænsen. I en optagelse fra et enkelt jordskælv, kendt som et seismogram, ekkoer fra diffrakterede forskydningsbølger kan være svære at skelne fra tilfældig støj. Men at se på mange seismogrammer fra mange jordskælv på én gang kan afsløre ligheder og mønstre, der identificerer de ekkoer, der er gemt i dataene.

Ved at bruge en maskinlæringsalgoritme kaldet Sequencer, forskerne analyserede 7, 000 seismogrammer fra hundredvis af jordskælv med en styrke på 6,5 og større, der fandt sted omkring Stillehavets bassin fra 1990 til 2018. Sequencer blev udviklet af den nye undersøgelses medforfattere fra Johns Hopkins University og Tel Aviv University for at finde mønstre i stråling fra fjerne stjerner og galakser . Når det anvendes på seismogrammer fra jordskælv, Algoritmen opdagede et stort antal forskydningsbølgeekkoer.

"Maskinlæring inden for geovidenskab vokser hurtigt, og en metode som Sequencer giver os mulighed for systematisk at detektere seismiske ekkoer og få ny indsigt i strukturerne i bunden af ​​kappen, som stort set er forblevet gådefulde, " sagde Kim.

Undersøgelsen afslørede et par overraskelser i strukturen af ​​kerne-kappe-grænsen.

"Vi fandt ekkoer på omkring 40% af alle seismiske bølgebaner, " sagde Vedran Lekic, en lektor i geologi ved UMD og medforfatter til undersøgelsen. "Det var overraskende, fordi vi forventede, at de var mere sjældne, og hvad det betyder er, at de unormale strukturer ved kerne-kappegrænsen er meget mere udbredte end tidligere antaget."

Forskerne fandt ud af, at den store plet af meget tæt, varmt materiale ved kerne-kappegrænsen under Hawaii frembragte unikke høje ekkoer, hvilket indikerer, at det er endnu større end tidligere skøn. Kendt som ultralavhastighedszoner (ULVZ'er), sådanne pletter findes ved rødderne af vulkanske faner, hvor varm klippe stiger fra kerne-kappe grænseregionen for at producere vulkanske øer. ULVZ under Hawaii er den største kendte.

Denne undersøgelse fandt også en hidtil ukendt ULVZ under Marquesas-øerne.

"Vi var overraskede over at finde et så stort element under Marquesas-øerne, som vi ikke engang vidste eksisterede før, " sagde Lekic. "Dette er virkelig spændende, fordi den viser, hvordan Sequencer-algoritmen kan hjælpe os med at kontekstualisere seismogramdata over hele kloden på en måde, som vi ikke kunne før."