Geofysici van de Universiteit van Maryland analyseerden duizenden opnames van seismische golven, geluidsgolven die door de aarde reizen, om echo's te identificeren van de grens tussen de gesmolten kern van de aarde en de vaste mantellaag erboven. De echo's onthulden meer wijdverbreid, heterogene structuren - gebieden met ongewoon dichte, hete rots - bij de kern-mantelgrens dan eerder bekend.

Wetenschappers zijn onzeker over de samenstelling van deze structuren, en eerdere studies hebben er slechts een beperkt beeld van gegeven. Een beter begrip van hun vorm en omvang kan helpen om de geologische processen die diep in de aarde plaatsvinden te onthullen. Deze kennis kan aanwijzingen geven over de werking van platentektoniek en de evolutie van onze planeet.

Het nieuwe onderzoek biedt het eerste uitgebreide beeld van de kern-mantelgrens over een groot gebied met zo'n gedetailleerde resolutie. De studie werd op 12 juni gepubliceerd, 2020, uitgave van het tijdschrift Wetenschap .

De onderzoekers richtten zich op echo's van seismische golven die zich onder het bekken van de Stille Oceaan voortbewegen. Hun analyse onthulde een voorheen onbekende structuur onder de vulkanische Marquesas-eilanden in de Stille Zuidzee en toonde aan dat de structuur onder de Hawaiiaanse eilanden veel groter is dan eerder bekend.

"Door naar duizenden kern-mantel grensecho's tegelijk te kijken, in plaats van je te concentreren op een paar tegelijk, zoals gewoonlijk wordt gedaan, we hebben een totaal nieuw perspectief gekregen, " zei Doyeon Kim, een postdoctoraal fellow bij de UMD-afdeling Geologie en de hoofdauteur van het artikel. "Dit laat ons zien dat het grensgebied van de kern-mantel veel structuren heeft die deze echo's kunnen produceren, en dat was iets dat we ons niet eerder realiseerden omdat we maar een beperkte blik hadden."

Aardbevingen genereren seismische golven onder het aardoppervlak die duizenden kilometers afleggen. Wanneer de golven veranderingen in de rotsdichtheid tegenkomen, temperatuur of samenstelling, ze veranderen van snelheid, buigen of verstrooien, produceren van echo's die kunnen worden gedetecteerd. Echo's van nabijgelegen structuren komen sneller aan, terwijl die van grotere structuren luider zijn. Door de reistijd en amplitude van deze echo's te meten wanneer ze bij seismometers op verschillende locaties aankomen, wetenschappers kunnen modellen ontwikkelen van de fysieke eigenschappen van gesteente dat onder het oppervlak verborgen is. Dit proces is vergelijkbaar met de manier waarop vleermuizen echoloceren om hun omgeving in kaart te brengen.

Voor deze studie is Kim en zijn collega's zochten naar echo's die werden gegenereerd door een specifiek type golf, een schuifgolf genoemd, terwijl het langs de kern-mantelgrens reist. In een opname van een enkele aardbeving, bekend als een seismogram, echo's van afgebogen schuifgolven kunnen moeilijk te onderscheiden zijn van willekeurige ruis. Maar als we naar veel seismogrammen van veel aardbevingen tegelijk kijken, kunnen overeenkomsten en patronen worden onthuld die de echo's identificeren die in de gegevens verborgen zijn.

Met behulp van een machine learning-algoritme genaamd Sequencer, de onderzoekers analyseerden 7, 000 seismogrammen van honderden aardbevingen met een kracht van 6,5 en meer die plaatsvonden rond het stroomgebied van de Stille Oceaan van 1990 tot 2018. Sequencer is ontwikkeld door de co-auteurs van de nieuwe studie van de Johns Hopkins University en Tel Aviv University om patronen te vinden in straling van verre sterren en sterrenstelsels . Wanneer toegepast op seismogrammen van aardbevingen, het algoritme ontdekte een groot aantal shear wave-echo's.

"Machineleren in de aardwetenschappen groeit snel en een methode als Sequencer stelt ons in staat om systematisch seismische echo's te detecteren en nieuwe inzichten te krijgen in de structuren aan de basis van de mantel, die grotendeels raadselachtig zijn gebleven, ' zei Kim.

De studie bracht enkele verrassingen aan het licht in de structuur van de kern-mantelgrens.

"We vonden echo's op ongeveer 40% van alle seismische golfpaden, " zei Vedran Lekic, een universitair hoofddocent geologie aan de UMD en een co-auteur van de studie. "Dat was verrassend omdat we verwachtten dat ze zeldzamer zouden zijn, en wat dat betekent is dat de abnormale structuren aan de kern-mantelgrens veel wijdverspreider zijn dan eerder werd gedacht."

De wetenschappers ontdekten dat het grote stuk zeer dichte, heet materiaal aan de kern-mantelgrens onder Hawaï produceerde unieke luide echo's, wat aangeeft dat het zelfs groter is dan eerdere schattingen. Bekend als ultralage-snelheidszones (ULVZ's), dergelijke plekken zijn te vinden aan de wortels van vulkanische pluimen, waar heet gesteente oprijst uit het kern-mantel grensgebied om vulkanische eilanden te produceren. De ULVZ onder Hawaï is de grootste die bekend is.

Deze studie vond ook een voorheen onbekende ULVZ onder de Marquesas-eilanden.

"We waren verrast om zo'n grote functie onder de Marquesas-eilanden te vinden waarvan we niet eens wisten dat ze bestonden, " zei Lekic. "Dit is echt spannend, omdat het laat zien hoe het Sequencer-algoritme ons kan helpen om seismogramgegevens over de hele wereld te contextualiseren op een manier die we voorheen niet konden."