在地核附近，發現了意想不到的結構
科學家是如何描繪地球內部的結構的？地震波所蘊含的信息是關鍵所在。
地震波是地震在地表之下產生的傳播數千公里的聲波。當地震波在傳播途中所經過的岩石密度、溫度或成分發生變化時，它們也會改變速度，發生彎曲或散射，從而產生可被探測到的回聲。
來自探測儀附近結構的回聲會更快地抵達探測器，而來自較大結構的回聲則更加「響亮」。當這些回聲在抵達不同地點的地震儀時，通過測量它們的傳播時間和振幅，就可以建立隱藏在地表之下的岩石的物理屬性模型，從而使我們獲取關於地球內部結構的信息。這樣一個過程與蝙蝠用回聲定位來描繪環境相似。
早在20世紀初，科學家就利用這種方法推斷出地球應該有一個液態的外核，其依據是在地球另一邊的地震儀沒有檢測到地震的剪切波。
從地殼到地核的地球結構。| 圖片來源：thegeographeronline
現在，地球科學家仍利用地震波的回聲來研究熔融地核和在其上方的固體地幔之間的分界面，即所謂的核-幔邊界，以此來獲取地下結構的信息。地幔底部的結構在大程度上仍然是一個謎，原因在於過去的研究大多一次只能關注少數幾個核-幔邊界回聲，這種情況下科學家所能獲取的信息是非常有限的，因此大大限制了科學家的視野。
上圖顯示的是地震（橘色五角星）通過地球傳播聲波。當地震波沿著核-地幔邊界傳播，在緻密的岩石結構周圍發生衍射和彎曲時，地震儀（藍色倒三角形）會記錄下回聲。圖中的兩個黃色三角形標記的分別是夏威夷和馬克薩斯群島。| 圖片來源：Doyeon Kim
在一項新的研究中，馬里蘭大學的地球物理學與約翰霍普金斯大學和特拉維夫大學的天體物理學家合作，利用一種人工智慧演算法，同時分析了數千份地震波記錄。他們的研究發現，核-幔邊界的不均質結構（異常緻密、熾熱的岩石）比之前以為的要廣泛得多。
這項新的結果被發表在近期的《科學》雜誌上，它是首個以如此全面、詳盡的細節，描繪的一個大範圍核-幔邊界視圖。
一直以來，科學家並不太確定核-幔邊界的不均質結構的構成。然而，更好地理解這些結構的形狀和範圍，對於揭示發生在地球內部深處的地質過程，並進一步理解板塊構造的運作和地球的演化非常重要。
分析地震信號的模式是進行此類研究的關鍵。研究人員需要尋找的是由一種特定的波在核-幔邊界傳播時所產生的回聲，這種波即前文提到的剪切波。剪切波是一種橫波，它指的是地球內的粒子的震動方向垂直於能量的傳導方向。
從單次地震的記錄中，我們很難區分衍射的剪切波回聲與隨機雜訊；因此我們需要同時分析許多次地震的地震記錄，才能揭示它們的相似性和模式，識別出隱藏在數據中的回聲。然而，隨著來自世界各地的地震數據越來越多，科學家越來越需要訴諸於計算機演算法才能更加準確地分析其中的模式。
在新的研究中，研究人員使用了一種名為Sequencer的機器學習演算法，分析了在1990年至2018年間，發生在太平洋海盆的數百次6.5級及以上地震的共7000多個地震記錄。
Sequencer原是天體物理學家開發來用於研究來自遙遠恆星和星系的輻射模式的工具。而當研究的第一作者Doyeon Kim將其應用於分析地震記錄時，他發現了大量的剪切波回聲。這表明核-幔邊界區域的許多結構都可以產生這些回聲，這樣的結果令地球科學家們非常意外。
他們在大約40%的地震波路徑中發現了這樣的回聲，這個數字很令人驚訝，因為地球科學家原以為這些回聲會十分罕見，這意味著在核-幔邊界的異常結構比之前認為的要廣泛得多。
他們集中分析了在太平洋海盆之下傳播的地震波的回聲，發現在夏威夷地底的核-幔邊界上有一塊很大的密度很高的高溫物質，它可以產生「響亮」得出奇的回聲。這表明這塊物質比之前預計的還要大。這種被稱為超低速度區域（ULVZ）的結構位於火山羽狀流的根部，在那個位置，熱的岩石從核-幔邊界區域升騰，形成火山島。現在，夏威夷下方的ULVZ是已知的最大的。
圖中的紅色文字部分顯示的是熾熱的高密度岩石區域，被稱為超低速度區域（ULVZ）的結構，它會彎曲和衍射地震（Earthquake）產生的聲波。通過分析地震波記錄的回聲，科學家可以確定ULVZ的大小和形狀。|?圖片來源：Doyeon Kim
此外，這項研究還在南太平洋的火山群島——馬克薩斯群島下發現了一個過去不為人知的ULVZ結構，這令研究人員倍感驚訝，因為如此巨大的一個結構就隱藏在馬克薩斯群島之下，而此之前卻無人知曉。
可以說，新的發現是非常鼓舞人心的，因為它表明，像Sequence這樣的演算法將可以幫助研究人員以一種前所未有的方式在全球範圍內解讀地震記錄數據。它標誌著像Sequencer這樣的機器學習正在地球科學研究中迅速發展，從而使得研究人員能夠更加系統地探測地震的回聲，對地幔底部的結構產生新的了解。
參考鏈接：
https://cmns.umd.edu/news-events/features/4604
http://doyeonkim.us/sequencing_seismograms
https://physicsworld.com/a/artificial-intelligence-spots-unusual-feature-at-earths-core-mantle-boundary/
封面圖來源：Doyeon Kim
