Geofizycy rozszyfrowują tajemnicze głębokie sygnały sejsmiczne

Geofizycy odkryli związek pomiędzy falami sejsmicznymi, zwanymi prekursorami PKP, a anomaliami w płaszczu Ziemi.

Nowe badanie pokazuje, że wcześniejsze sygnały sejsmiczne PKP, które od lat intrygują naukowców, pochodzą z regionów o niezwykle niskiej prędkości, położonych głęboko w Ameryce Północnej i zachodnim Pacyfiku. Odkrycia dokonane przez naukowców z Uniwersytetu Utah łączą te regiony z ważnymi cechami geologicznymi, takimi jak gorące wulkany, przy użyciu zaawansowanych technik sejsmicznych, aby prześledzić ich pochodzenie aż do granicy rdzenia i płaszcza.

Wprowadzenie do PKP i zagadek sejsmicznych

Przez dziesięciolecia od ich odkrycia sygnały sejsmiczne zwane prekursorami PKP stanowiły wyzwanie dla naukowców. Rejony dolnego płaszcza Ziemi rozpraszają napływające fale sejsmiczne, które wracają na powierzchnię w postaci fal PKP z różną prędkością.

Pochodzenie poprzednich sygnałów, które dotarły przed głównymi falami sejsmicznymi przemieszczającymi się przez jądro Ziemi, pozostało niejasne, ale badania prowadzone przez geofizyków z Uniwersytetu Utah rzuciły nowe światło na tę tajemniczą energię sejsmiczną.

Z badań opublikowanych 10 sierpnia wynika, że ​​przodkowie PKP rozprzestrzeniają się z miejsc położonych głęboko pod Ameryką Północną i zachodnim Pacyfikiem i mogą być powiązani z „strefami ekstremalnie niskich prędkości”, czyli cienkimi warstwami płaszcza, gdzie fale sejsmiczne dramatycznie zwalniają. W Postępy AGUflagowe czasopismo Amerykańskiej Unii Geofizycznej.

Powiązanie przodków PKP z cechami geologicznymi

„Są to jedne z najbardziej ekstremalnych obiektów, jakie kiedykolwiek odkryto na planecie” – powiedział główny autor Michael Thorne, profesor geologii i geofizyki na Uniwersytecie Utah. „Nie wiemy, czym one są, ale wiemy jedno Wiem tylko, że wydają się gromadzić pod gorącymi wulkanami.” „Wygląda na to, że mogą być korzeniami całych pióropuszów płaszcza, z których powstają gorące wulkany”.

Pióropusze te są odpowiedzialne za aktywność wulkaniczną obserwowaną w Parku Narodowym Yellowstone, na Wyspach Hawajskich, Samoa, Islandii i Wyspach Galapagos.

„Wygląda na to, że te bardzo duże wulkany stoją od setek milionów lat mniej więcej w tym samym miejscu” – powiedział Thorne. W poprzednich pracach odkrył także jeden z największych znanych na świecie regionów ekstremalnie niskich prędkości.

„Obszar znajduje się bezpośrednio pod wyspą Samoa, a Samoa jest jednym z największych gorących wulkanów” – zauważył Thorne.

Rozwój analizy fal sejsmicznych

Od prawie stulecia geolodzy wykorzystują fale sejsmiczne do badania wnętrza Ziemi, dokonując wielu odkryć, które w innym przypadku nie byłyby możliwe. Na przykład inni badacze z Uniwersytetu Utah scharakteryzowali strukturę stałego jądra wewnętrznego Ziemi i śledzili jego ruch, analizując fale sejsmiczne.

Kiedy trzęsienie ziemi wstrząsa powierzchnią Ziemi, fale sejsmiczne przedostają się przez płaszcz – dynamiczną warstwę gorącej skały o grubości 2900 kilometrów pomiędzy skorupą ziemską a rdzeniem mineralnym. Zespół Thorne’a interesuje się falami, które „rozpraszają się”, gdy przechodzą przez nieregularne struktury, które wymuszają zmiany w składzie fizycznym płaszcza. Część z tych rozproszonych fal staje się prekursorami PKP.

Thorne starał się dokładnie określić, gdzie zachodzi to rozpraszanie, zwłaszcza że fale przechodzą przez płaszcz Ziemi dwukrotnie, przed i po przejściu przez płynne jądro zewnętrzne Ziemi. Z powodu tej podwójnej podróży przez płaszcz prawie niemożliwe stało się rozróżnienie, czy poprzednie fale pochodziły ze strony źródła, czy odbiornika ścieżki promieni.

Innowacyjne techniki badawcze w sejsmologii

Zespół Thorne’a, w skład którego wchodził adiunkt Surya Patchai, opracował metodę modelowania kształtów fal w celu ujawnienia kluczowych efektów, których nie zaobserwowano wcześniej.

Korzystając z zaawansowanej metody zespołu trzęsień ziemi i nowych obserwacji teoretycznych z symulacji trzęsień ziemi, badacze byli w stanie przeanalizować dane dotyczące 58 trzęsień ziemi, które miały miejsce wokół Nowej Gwinei i zostały zarejestrowane w Ameryce Północnej po przejściu przez planetę.

„Mogę umieścić wirtualne odbiorniki w dowolnym miejscu na powierzchni Ziemi, a to powie mi, jak powinien wyglądać sejsmogram trzęsienia ziemi w tym miejscu. Możemy to porównać z rzeczywistymi nagraniami, którymi dysponujemy” – powiedział Thorne. „Teraz jesteśmy w stanie przewidzieć, skąd pochodzi ta energia”.

Nowa metoda pozwoliła im określić, gdzie występuje rozpraszanie wzdłuż granicy między zewnętrznym rdzeniem ciekłego metalu a płaszczem, zwanej granicą rdzeń-płaszcz, która znajduje się 2900 kilometrów pod powierzchnią Ziemi.

Interakcje rdzeń-płaszcz i bardzo nisko położone obszary skaliste

Ich odkrycia sugerują, że przodkowie PKP mogli pochodzić z regionów, w których występują regiony o wyjątkowo niskiej prędkości. Thorne podejrzewa, że ​​te warstwy, których grubość wynosi zaledwie 20–40 kilometrów, powstają w miejscach, gdzie subdukcyjne płyty tektoniczne zderzają się z granicą między rdzeniem a płaszczem w skorupie oceanicznej.

„Teraz odkryliśmy, że te obszary o bardzo małej prędkości znajdują się nie tylko pod gorącymi punktami. Są one rozproszone na granicy jądra i płaszcza pod Ameryką Północną” – powiedział Thorne. „Naprawdę wygląda na to, że te obszary o bardzo małej prędkości są aktywnie generowane. Nie wiemy jak. Ale ponieważ widzimy je w pobliżu subdukcji, sądzimy, że są już w atmosferze”. Bazalt śródoceaniczny „Ten materiał topi się i w ten sposób powstaje. Następnie dynamika wypycha ten materiał przez ziemię i ostatecznie gromadzi się pod gorącymi punktami”.

Według Thorne’a dynamika przesuwa te obiekty po całej Ziemi i ostatecznie zgromadzą się one na granicach dużych prowincji charakteryzujących się niską prędkością, które pod względem składu stanowią odrębne elementy kontynentalne pod Oceanem Spokojnym i Afryką – twierdzi Thorne.

„Może również gromadzić się pod gorącymi punktami, ale nie jest jasne, czy obszary o bardzo niskiej emisji powstają w tym samym procesie” – powiedział. Będziemy musieli poczekać na przyszłe badania, które pozwolą określić konsekwencje takiego procesu.

Odniesienie: „Badanie regionów o wyjątkowo niskiej prędkości jako źródła dyspersji PKP pod Ameryką Północną i zachodnim Pacyfikiem: możliwe powiązania z subdukcją skorupy oceanicznej”, Michael S. Thorne, Surya Patchai, Mingming Li, Jamie Ward i Sebastian Rust, 10 sierpień 2024, Postępy AGU.
DOI: 10.1029/2024AV001265

Badania, finansowane przez National Science Foundation, przeprowadzono we współpracy z geologami z Arizona State University i University of Leeds w Wielkiej Brytanii.