Geofysici ontcijferen mysterieuze diepe seismische signalen

Geofysici hebben een verband ontdekt tussen seismische golven, PKP-voorlopers genoemd, en afwijkingen in de aardmantel.

Uit een nieuwe studie blijkt dat eerdere seismische PKP-signalen, die wetenschappers al jaren in verwarring brengen, afkomstig zijn uit regio’s met extreem lage snelheid diep in Noord-Amerika en de westelijke Stille Oceaan. Deze bevindingen van onderzoekers van de Universiteit van Utah koppelen deze regio’s aan belangrijke geologische kenmerken zoals hete vulkanen, waarbij gebruik wordt gemaakt van geavanceerde seismische technieken om hun oorsprong terug te traceren tot de kern-mantelgrens.

Inleiding tot PKP en seismische puzzels

In de decennia sinds hun ontdekking zijn seismische signalen, bekend als PKP-voorlopers, een uitdaging geweest voor wetenschappers. Gebieden van de onderste aardmantel verstrooien inkomende seismische golven, die met verschillende snelheden terugkeren naar het oppervlak in de vorm van PKP-golven.

De oorsprong van eerdere signalen, die aankomen vóór de belangrijkste seismische golven die door de kern van de aarde reizen, is onduidelijk gebleven, maar onderzoek onder leiding van geofysici van de Universiteit van Utah heeft nieuw licht geworpen op deze mysterieuze seismische energie.

De voorouders van de PKP lijken zich te verspreiden vanuit plaatsen diep onder Noord-Amerika en de westelijke Stille Oceaan en kunnen in verband worden gebracht met ‘zones met extreem lage snelheid’, dunne lagen in de mantel waar seismische golven dramatisch vertragen, blijkt uit onderzoek dat op 10 augustus werd gepubliceerd. in AGU-vooruitganghet vlaggenschiptijdschrift van de American Geophysical Union.

PKP-voorouders koppelen aan geologische kenmerken

“Dit zijn enkele van de meest extreme kenmerken die ooit op aarde zijn ontdekt,” zegt hoofdauteur Michael Thorne, universitair hoofddocent geologie en geofysica aan de Universiteit van Utah. “We weten niet echt wat ze zijn, maar één ding weten we Wat ik wel weet, is dat ze lijken te groeien onder hete vulkanen.” “Het lijkt erop dat ze de wortel kunnen zijn van hele mantelpluimen die aanleiding geven tot hete vulkanen.”

Deze pluimen zijn verantwoordelijk voor de vulkanische activiteit die wordt waargenomen in het Yellowstone National Park, de Hawaiiaanse eilanden, Samoa, IJsland en de Galapagoseilanden.

“Het lijkt erop dat deze zeer grote vulkanen al honderden miljoenen jaren op ongeveer dezelfde plek staan”, zegt Thorne. In eerder werk ontdekte hij ook een van de grootste bekende gebieden met extreem lage snelheden ter wereld.

“Het gebied ligt direct onder het eiland Samoa, en Samoa is een van de grootste hete vulkanen,” merkte Thorne op.

Ontwikkelingen in seismische golfanalyse

Al bijna een eeuw lang gebruiken geologen seismische golven om het binnenste van de aarde te verkennen, waarbij ze veel ontdekkingen doen die anders niet mogelijk zouden zijn geweest. Andere onderzoekers van de Universiteit van Utah hebben bijvoorbeeld de structuur van de vaste kern van de aarde gekarakteriseerd en de beweging ervan gevolgd door seismische golven te analyseren.

Wanneer een aardbeving het aardoppervlak doet schudden, schieten seismische golven door de mantel – de dynamische laag heet gesteente van 2900 kilometer dik tussen de aardkorst en de minerale kern. Het team van Thorne is geïnteresseerd in die golven die ‘verstrooien’ wanneer ze door onregelmatige kenmerken gaan die veranderingen in de fysieke samenstelling van de mantel forceren. Sommige van deze verspreide golven worden voorlopers van PKP.

Thorne probeerde precies te bepalen waar deze verstrooiing plaatsvindt, vooral omdat de golven tweemaal door de aardmantel reizen, vóór en na het passeren van de vloeibare buitenkern van de aarde. Vanwege deze dubbele reis door de mantel is het vrijwel onmogelijk geworden om te onderscheiden of eerdere golven hun oorsprong vonden aan de bron- of ontvangerzijde van het straalpad.

Innovatieve onderzoekstechnieken in de seismologie

Het team van Thorne, waartoe ook onderzoeksassistent-professor Surya Patchai behoorde, ontwierp een methode om golfvormen te modelleren om cruciale effecten bloot te leggen die nog niet eerder waren waargenomen.

Met behulp van de geavanceerde aardbevingsensemble-methode en nieuwe theoretische waarnemingen uit aardbevingssimulaties konden de onderzoekers gegevens analyseren van 58 aardbevingen die plaatsvonden rond Nieuw-Guinea en werden geregistreerd in Noord-Amerika nadat ze de planeet passeerden.

“Ik kan overal op het aardoppervlak virtuele ontvangers plaatsen, en dat vertelt me ​​hoe het seismogram van een aardbeving op die locatie eruit zou moeten zien. En we kunnen dat vergelijken met de echte opnames die we hebben”, zei Thorne. “We kunnen nu voorspellen waar deze energie vandaan komt.”

Met hun nieuwe methode konden ze bepalen waar verstrooiing plaatsvond langs de grens tussen de buitenste kern van het vloeibare metaal en de mantel, bekend als de kern-mantelgrens, die zich 2900 kilometer onder het aardoppervlak bevindt.

Kern-mantel-interacties en zeer laaggelegen rotsachtige gebieden

Hun bevindingen suggereren dat de voorouders van PKP mogelijk afkomstig zijn uit regio’s met regio’s met extreem lage snelheden. Thorne vermoedt dat deze lagen, die slechts 20 tot 40 kilometer dik zijn, ontstaan ​​op de plek waar zinkende tektonische platen botsen met de grens tussen de kern en de mantel in de oceanische korst.

“Wat we nu hebben ontdekt, is dat deze gebieden met een zeer lage snelheid niet alleen onder hotspots worden aangetroffen, maar verspreid zijn over de kern-mantelgrens onder Noord-Amerika”, zei Thorne. “Het lijkt er echt op dat deze gebieden met een zeer lage snelheid actief worden gegenereerd. We weten niet hoe. Maar omdat we ze bijna subductie zien, denken we dat ze zich al in de atmosfeer bevinden.” Basalt uit het midden van de oceaan “Dit materiaal smelt, en zo wordt het gegenereerd. Vervolgens duwt de dynamiek dit materiaal door de grond en uiteindelijk zal het zich ophopen onder de hete plekken.”

De dynamiek duwt deze objecten over de aarde, en uiteindelijk zullen ze zich opstapelen tegen de grenzen van grote provincies met lage snelheid, die volgens Thorne qua samenstelling onderscheidende continentale kenmerken zijn onder de Stille Oceaan en Afrika.

“Het kan zich ook ophopen onder hotspots, maar het is onduidelijk of deze gebieden met zeer lage emissies door hetzelfde proces worden gegenereerd”, zei hij. We zullen moeten wachten op toekomstig onderzoek om de gevolgen van een dergelijk proces vast te stellen.

Referentie: “Onderzoek naar regio’s met extreem lage snelheden als bron van PKP-verspreiding onder Noord-Amerika en de westelijke Stille Oceaan: mogelijke verbanden met zinkende oceanische korst” door Michael S. Thorne, Surya Patchai, Mingming Li, Jamie Ward en Sebastian Rust, 10 augustus 2024, AGU-vooruitgang.
DOI: 10.1029/2024AV001265

Het onderzoek, gefinancierd door de National Science Foundation, werd uitgevoerd in samenwerking met geologen van de Arizona State University en de Universiteit van Leeds in het Verenigd Koninkrijk.