Геофизики расшифровывают загадочные глубинные сейсмические сигналы

Геофизики обнаружили связь между сейсмическими волнами, называемыми предшественниками ПКП, и аномалиями в мантии Земли.

Новое исследование показывает, что предыдущие сейсмические сигналы ПКП, которые годами озадачивали ученых, исходят из регионов с чрезвычайно низкой скоростью, расположенных глубоко в Северной Америке и западной части Тихого океана. Эти выводы исследователей из Университета Юты связывают эти регионы с важными геологическими объектами, такими как горячие вулканы, используя передовые сейсмические методы, чтобы проследить их происхождение до границы ядра и мантии.

Введение в ПКП и сейсмические головоломки

На протяжении десятилетий с момента их открытия сейсмические сигналы, известные как предшественники ПКП, были проблемой для ученых. Области нижней мантии Земли рассеивают приходящие сейсмические волны, которые возвращаются на поверхность в виде волн ПКП с разной скоростью.

Происхождение предыдущих сигналов, приходящих до того, как основные сейсмические волны проходят через ядро ​​Земли, остается неясным, но исследования, проводимые геофизиками из Университета Юты, пролили новый свет на эту загадочную сейсмическую энергию.

Согласно исследованию, опубликованному 10 августа, предки ПКП, по-видимому, распространились из мест глубоко под Северной Америкой и западной частью Тихого океана и могут быть связаны с «зонами экстремально низких скоростей», тонкими слоями мантии, где сейсмические волны резко замедляются. в Достижения АГУведущий журнал Американского геофизического союза.

Связь предков PKP с геологическими особенностями

«Это одни из самых экстремальных явлений, когда-либо обнаруженных на планете», — сказал ведущий автор Майкл Торн, доцент кафедры геологии и геофизики Университета Юты. «Мы на самом деле не знаем, что это такое, но мы делаем одну вещь. Известно, что они, по-видимому, аккумулируются под горячими вулканами. «Похоже, что они могут быть корнем целых мантийных плюмов, которые дают начало горячим вулканам».

Эти шлейфы ответственны за вулканическую активность, наблюдаемую в Йеллоустонском национальном парке, на Гавайских островах, Самоа, Исландии и Галапагосских островах.

«Похоже, что эти очень большие вулканы стояли примерно в одном и том же месте на протяжении сотен миллионов лет», — сказал Торн. В предыдущей работе он также обнаружил одну из крупнейших известных областей экстремально низких скоростей в мире.

«Эта территория расположена прямо под островом Самоа, а Самоа — один из крупнейших горячих вулканов», — отметил Торн.

Развитие сейсмического волнового анализа

На протяжении почти столетия геологи использовали сейсмические волны для исследования недр Земли, сделав множество открытий, которые иначе были бы невозможны. Например, другие исследователи из Университета Юты охарактеризовали структуру твердого внутреннего ядра Земли и отследили ее движение, анализируя сейсмические волны.

Когда землетрясение сотрясает поверхность Земли, сейсмические волны пронизывают мантию — динамический слой горячей породы толщиной 2900 км между земной корой и минеральным ядром. Команда Торна интересуется теми волнами, которые «рассеиваются», когда проходят через нерегулярные объекты, вызывающие изменения в физическом составе мантии. Некоторые из этих рассеянных волн становятся предшественниками ПКП.

Торн стремился определить, где именно происходит это рассеяние, тем более что волны проходят через мантию Земли дважды: до и после прохождения через жидкое внешнее ядро ​​Земли. Из-за этого двойного путешествия через мантию стало почти невозможно отличить, возникли ли предыдущие волны на исходной или приемной стороне пути луча.

Инновационные методы исследования в сейсмологии

Команда Торна, в которую входил доцент-исследователь Сурья Патчай, разработала метод моделирования сигналов, чтобы выявить важные эффекты, которые раньше не наблюдались.

Используя усовершенствованный метод ансамбля землетрясений и новые теоретические наблюдения, полученные в результате моделирования землетрясений, исследователи смогли проанализировать данные о 58 землетрясениях, которые произошли вокруг Новой Гвинеи и были зарегистрированы в Северной Америке после того, как они прошли через планету.

«Я могу разместить виртуальные приемники в любом месте на поверхности Земли, и это подскажет мне, как должна выглядеть сейсмограмма землетрясения в этом месте. И мы сможем сравнить ее с реальными записями, которые у нас есть», — сказал Торн. «Теперь мы можем предсказать, откуда берется эта энергия».

Их новый метод позволил им определить, где произошло рассеяние вдоль границы между внешним ядром жидкого металла и мантией, известной как граница ядро-мантия, которая расположена на 2900 километров ниже поверхности Земли.

Взаимодействия ядра и мантии и очень низменные скалистые области.

Их результаты показывают, что предки PKP, возможно, пришли из регионов, в которых обитают регионы с чрезвычайно низкой скоростью. Торн подозревает, что эти слои толщиной всего от 20 до 40 километров образуются там, где погружающиеся тектонические плиты сталкиваются с границей между ядром и мантией океанической коры.

«Теперь мы обнаружили, что эти области с очень низкой скоростью находятся не только под горячими точками. Они распространены по всей границе ядра и мантии под Северной Америкой», — сказал Торн. «Похоже, что эти области с очень низкой скоростью активно генерируются. Мы не знаем, как это сделать. Но поскольку мы видим их вблизи субдукции, мы думаем, что они уже находятся в атмосфере». Срединно-океанический базальт «Этот материал плавится, и вот как он генерируется. Затем динамика проталкивает этот материал сквозь землю, и в конечном итоге он накапливается под горячими точками».

По словам Торна, динамика толкает эти объекты по Земле, и в конечном итоге они скапливаются у границ крупных низкоскоростных провинций, которые по составу представляют собой различные континентальные образования под Тихим океаном и Африкой.

«Она также может накапливаться в горячих точках, но неясно, образуются ли эти области с очень низким уровнем выбросов в результате того же процесса», — сказал он. Нам придется дождаться будущих исследований, чтобы определить последствия такого процесса.

Ссылка: «Исследование регионов с чрезвычайно низкой скоростью как источника рассеяния ПКП под Северной Америкой и западной частью Тихого океана: возможные связи с субдукцией океанической коры», Майкл С. Торн, Сурья Патчай, Мингминг Ли, Джейми Уорд и Себастьян Раст, 10 августа 2024 г., Достижения АГУ.
DOI: 10.1029/2024AV001265

Исследование, финансируемое Национальным научным фондом, проводилось в сотрудничестве с геологами из Университета штата Аризона и Университета Лидса в Великобритании.