为了确定来自地球熔融内核及熔融内核上方固体地幔层之间边界的回波，马里兰大学(University of Maryland)的地球物理学家分析了数千份地震波(就是穿过地球的声波)的记录，这些回波显示出了一个不均质结构(在地核-地幔边界的异常致密、炽热的岩石)，而且其分布范围比我们以前所认为的还要更加广泛。

科学家并不确定这些结构的组成，以前的研究也只提供了有限的观点。不过，更好地了解它们的形状和范围将可以帮助科学家们揭示这个在地球内部深处发生的地质过程。这一认识可能会为板块构造的运作和地球的演化提供线索。

这项新的研究首次以这么详细的分辨率提供了一个地核-地幔边界的大范围全面视图。这项研究发表在2020年6月12日的《科学》杂志上。

研究人员集中研究了太平洋盆地下传播的地震波回波。他们的分析揭示了南太平洋火山马克萨斯群岛(Marquesas Islands)下面存在一个以前未知的地质结构，并表明夏威夷群岛下面的地质结构比以前知道的要大得多。

UMD地质学系的博士后研究员、论文的第一作者Doyeon Kim说：“通常研究只会一次关注几个地核-地幔边界回波，但通过同时观察数千个回波，这次我们得到了一个全新的视角。这向我们表明，地核-地幔边界区域有很多结构可以产生这些回波，这是我们之前没有意识到的，因为我们以前的视野很窄。”

地震在地表下产生的地震波可以传播数千英里，但当地震波遇到岩石密度、温度或成分的变化时，它们就会改变速度、弯曲或散射，产生可以被探测到的回波。来自附近结构的回波会来得更快，而来自较大结构的回波则会更响亮。当这些回波到达不同地点的地震仪时，通过测量它们的传播时间和振幅，科学家们就可以建立地表下隐藏岩石的物理特性模型。这个过程类似于蝙蝠用回波定位来描绘环境。

在这项研究中，Kim和他的同事们寻找一种被称为横波的特定地震波在地核-地幔边界传播时所产生的回波。在单次地震的记录中(即所谓的地震记录)，衍射横波的回波很难与随机的噪音区分开来。但是同时观察许多次地震的地震记录就可以揭示出这些回波的相似性和模式，从而识别隐藏在数据中的回波。

利用一种名为Sequencer的机器学习算法，研究人员分析了7000次地震记录，这些记录属于1990年至2018年间在太平洋盆地发生的数百次6.5级及以上的地震。Sequencer机器学习算法由来自约翰霍普金斯大学和特拉维夫大学的研究合著者开发，原本用于发现来自遥远恒星和星系的辐射模式，但当这个算法应用在地震记录时，该算法发现了大量的横波回波。

Kim说“地球科学领域中的机器学习正在迅速发展，像Sequencer这样的算法使我们能够系统地探测地震回波，并对地幔底部的结构有新的了解，因为对于我们来说地幔底部的结构在很大程度上仍然是一个谜，”。

这项研究揭示了地核-地幔边界结构的一些惊人之处。

马里兰大学地质学副教授、这项研究的合著者Vedran Lekic说：“我们在大约40%的地震波路径中都发现了回波。这令人非常惊讶，因为我们原以为它们会更罕见一些，而这个发现意味着地核-地幔边界的异常结构范围要比我们之前认为的要广泛得多。”

科学家们发现，在夏威夷下方的地核-地幔边界上有一块很大、密度很高的热物质，它产生了独特的响亮回波，这表明它比以前估计的还要大。这种被称为超低速度带(ULVZs, ultralow-velocity zones)的斑块位于火山羽流的根部，在那里热岩石会从地核-地幔边界区域升起，形成火山岛。夏威夷下方的ULVZ是已知最大的斑块。

这项研究还在马克萨斯群岛下发现了一个以前不为人知的ULVZ斑块。

Lekic说:“发现马克萨斯群岛下面有这么大的地质结构让我们感到非常惊讶，我们以前甚至都不知道它的存在。这真的很令人兴奋，因为这表明Sequencer算法可以帮助我们以一种我们以前无法实现的方式来将地震记录数据在全球范围内联系起来。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

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