地球物理学家发现被称为 PKP 前兆的地震波与地球地幔中的异常现象之间存在联系。一项新的研究揭示，多年来一直令科学家们感到困惑的 PKP 前兆地震信号源自北美和西太平洋地下深处的超低速度区。犹他大学研究人员的这些发现将这些区域与热点火山等重要地质特征联系起来，利用先进的地震技术将其起源追溯到地核-地幔边界。
地球内部图解。资料来源：犹他大学迈克尔-索恩
被称为 PKP 前兆的地震信号自被发现以来的几十年里，一直是科学家们的难题。地球下地幔区域散射传入的地震波，这些地震波以不同的速度以 PKP 波的形式返回地面。
前兆信号先于穿越地心的主地震波到达，其起源一直不清楚，但犹他大学地球物理学家领导的研究为这种神秘的地震能量揭开了新的面纱。
据8月10日发表在美国地球物理联盟主刊《AGU Advances》上的研究报告称，PKP前兆似乎是从北美和西太平洋深处传播而来的，并可能与"超低速区"有关，"超低速区"是地幔中地震波明显减慢的薄层。
地质学教授迈克尔-索恩（Michael Thorne）演示犹他大学地震学家曾经使用过的古董摇门地震仪的工作原理。资料来源：Brian Maffly
"这些是地球上发现的最极端的地貌。我们确实不知道它们是什么，"第一作者、加州大学地质学和地球物理学副教授迈克尔-索恩说。"但我们知道的一点是，它们似乎最终聚集在热点火山的下方。它们似乎可能是产生热点火山的整个地幔羽流的根源。"
黄石公园、夏威夷群岛、萨摩亚、冰岛和加拉帕戈斯群岛的火山活动都是由这些羽流造成的。
索恩说："这些非常非常大的火山似乎在大致相同的地方持续了数亿年。在之前的工作中，他还发现了世界上已知最大的超低速度区之一。它位于萨摩亚的正下方，而萨摩亚是最大的热点火山之一。"
近一个世纪以来，地球科学家利用地震波探测地球内部，获得了许多以其他方式不可能获得的发现。例如，犹他大学的其他研究人员通过分析地震波，确定了地球固体内核的结构特征，并追踪了其运动轨迹。
当地球表面发生地震时，地震波会穿过地幔--地壳和金属内核之间厚达 2900 公里的热岩石动态层。索恩的研究小组感兴趣的是，当地震波穿过地幔中物质成分发生变化的不规则地貌时，它们会被"散射"。其中一些散射波成为 PKP 的前兆。
索恩试图确定这种散射发生的确切位置，特别是因为波在穿过地球液态外核之前和之后两次穿过地幔。由于两次穿过地幔，因此几乎不可能区分前兆是源自射线路径的源侧还是接收侧。
地震学创新研究技术
索恩的团队（包括研究助理教授苏里亚-帕查伊）设计了一种波形建模方法，以检测以前未被注意到的关键效应。研究人员利用最先进的地震阵列方法和新的地震模拟理论观测结果，分析了发生在新几内亚附近的 58 次地震数据，这些地震在经过新几内亚后在北美洲被记录下来。
索恩说："我可以把虚拟接收器放在地球表面的任何地方，然后它就会告诉我在那个位置发生地震时的地震图应该是什么样的。我们可以将它与我们掌握的真实记录进行比较，现在能够反推这些能量的来源。"
他们采用新方法精确定位了液态金属外核与地幔边界（即地核-地幔边界）的散射发生位置，该边界位于地球表面以下 2900 公里处。
他们的研究结果表明，PKP前体很可能来自超低速度区。索恩怀疑，这些厚度仅为20至40公里的地层是在俯冲构造板块撞击大洋地壳的地核-地幔边界时形成的。
索恩说："我们现在发现，这些超低速度区并不仅仅存在于热点之下。它们遍布北美地下的地核-地幔边界，看起来这些超低速度区是主动产生的。我们不知道它们是如何产生的。但因为我们在俯冲附近看到了它们，所以我们认为洋中脊玄武岩被融化了，这就是它们产生的原因。然后，动力学将这些东西推向地球的各个角落，最终它们将堆积在热点的下方。"
动力学正在将这些东西推向地球的各个角落，最终，它们将聚集在大低速带的边界上，而大低速带是太平洋和非洲地下成分独特的大陆尺度特征。它们还可能积聚在热点的下方，但目前还不清楚这些超低电压区是否是由同一过程产生的。确定这一过程的后果需要等待未来的研究。
编译自/ScitechDaily