圖:DOYEON KIM/UNIVERSITY OF MARYLAND

馬里蘭大學(University of MarylandUMD)的地球物理學家們首次同步分析數千道穿過地球的地震波及聲波的紀錄,以辨識出來自地球溶融的地核、及地核上的固體地函之間的邊界的回音。這些回音顯示出,比起之前所知的,在地核地函邊界上存在著更廣泛且異質的結構,即極度稠密且滾燙的岩石區。科學家們並不確定這些結構的組成,且過去的研究僅提供非常有限的資訊。若對它們的形狀及程度更加了解,則能夠幫助科學家揭開發生在地球深處的地質學過程,而這些知識可能可以提供關於板塊結構的運作及地球演化史的線索。

未知的地底結構

這項最新研究最近發表於學術期刊《科學》(Science)上,並首次以非常詳細的解析度,針對大範圍的地核─地函邊界首次提供全面性觀點。

這項研究專注於通過太平洋海盆底下的地震波回音。研究人員的分析揭開了在南太平洋的馬克薩斯群島(Marquesas Islands)底下有一個先前未知的結構。另外,研究也顯示出在夏威夷群島下的結構比起先前所知還要來得更大。

本研究的主要作者暨 UMD 地質學系的博士後研究員金度研(Doyeon Kim,音譯)說到:「藉由一次檢視數千道位於地核─地函邊界上的回音,我們得到了一個完全嶄新的觀點。這顯示了在地核─地函邊界上有很多可以產生這些回音的結構。我們之前的觀點太過狹隘,因此我們之前並不了解這件事。」

地震波的回音

地震會在地球表面下產生地震波,能夠傳播數千英里。當地震波碰到岩石密度、溫度或成分改變時,它們也會改變速度、彎曲或散射,進而產生能夠被偵測到的回音。發生在附近的回音能夠較快抵達,而來自較巨大結構的回音則比較大聲。當這些回音抵達不同處的地震儀十,藉由測量這些回音的傳播時間及振幅,科學家可以發展出藏匿於地表之下的這些岩石的物理性質模型。這個過程與蝙蝠藉由迴聲定位來繪製出環境樣貌是相似的。

在這項研究中,金博士與他的同事所尋找的是由一種特定類型的波,即所謂的 S 波(shear wave),當其沿著地核─地函邊界傳播時所產生的回音。在對單一場地震進行紀錄的地震圖中,來自繞射的 S 波的回音難以自隨機的雜訊中辨識出來。但是若同時檢視來自許多地震的許多地震圖,則可以顯現出相似點及模式,這些相似點及模式可以幫忙辨識出藏匿於資料中的回音。

分析儀器

藉由使用機器學習演算法 Sequencer,研究人員們分析了從 1990 到 2018 年間,發生於太平洋海盆附近,來自規模 6.5 以上的數百個地震的 7000 張地震圖。Sequencer 原本是由本研究中來自約翰·霍普金斯大學(Johns Hopkins University)及特拉維夫大學(Tel Aviv University)的共同作者們所研發,目的是用來尋找來自遙遠恆星及星系的輻射的模式。當應用於來自地震的地震圖上時,該演算法發現了大量的 S 波回音。

金博士表示:「將機器學習用於地球科學正在迅速地成長,而像是 Sequencer 的方法讓我們得以系統性地偵測地震波回音,並讓我們獲得對於位在地函底部的結構的新見解。」

最新發現

這項研究揭開了在地核─地函邊界上的結構的一些新驚奇。首先,本研究的共同作者之一暨 UMD 地質學系韋德倫·雷克奇副教授(Vedran Lekić)提到:「我們在所有地震波路徑的 40% 上都發現了回音。這很令人驚訝,因為我們所期待的是它們應該更罕見,而這代表的是在地核─地函邊界上的異常結構應該比以往所想得更為廣布。」

另外,科學家也發現在夏威夷下方的地核─地函邊界上,非常密且熾熱的大塊材料會產生異常大的回聲,顯示出該結構比以往所估計的還要更大。被稱為「超低速區(ultralow-velocity zones,ULVZs)」,這些大塊結構通常出現在地函熱柱的根部,也就是熱岩石從地核─地函邊界往上升來產生火山島的區域。在夏威夷底下的 ULVZ 是目前已知最大的。

該研究也發現在馬克薩斯群島之下有一個先前未知的 ULVZ。雷克奇副教授提到:「我們很驚訝地發現在馬克薩斯群島之下有一個我們之前根本不知道存在的結構。這很令人興奮,因為這顯示了 Sequencer 能夠如何幫助我們以之前無法的方式,將全球範圍內的地震圖數據情境化」

參考資料:

  1. University of Maryland, (2020, June 11). Scientists Detect Unexpected Widespread Structures Near Earth’s Core. University of Maryland
  2. Kim, D. et al., (2020, June 12). Sequencing seismograms: A panoptic view of scattering in the core-mantle boundary region. Science. DOI: 10.1126/science.aba8972
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