I terremoti inviano onde sonore attraverso la Terra. I sismogrammi registrano gli echi mentre quelle onde viaggiano lungo il confine nucleo-mantello, diffrazione e piegatura attorno a strutture rocciose dense. Una nuova ricerca dell'Università del Maryland fornisce la prima ampia visione di queste strutture, rivelandoli molto più diffusi di quanto precedentemente noto. Credito:Doyeon Kim/Università del Maryland
I geofisici dell'Università del Maryland hanno analizzato migliaia di registrazioni di onde sismiche, onde sonore che viaggiano attraverso la Terra, per identificare gli echi dal confine tra il nucleo fuso della Terra e lo strato di mantello solido sopra di esso. Gli echi si sono rivelati più diffusi, strutture eterogenee:aree di insolitamente dense, roccia calda, al confine nucleo-mantello rispetto a quanto precedentemente noto.
Gli scienziati non sono sicuri della composizione di queste strutture, e studi precedenti ne hanno fornito solo una visione limitata. Una migliore comprensione della loro forma ed estensione può aiutare a rivelare i processi geologici che avvengono nelle profondità della Terra. Questa conoscenza può fornire indizi sul funzionamento della tettonica a zolle e sull'evoluzione del nostro pianeta.
La nuova ricerca fornisce la prima visione completa del confine nucleo-mantello su una vasta area con una risoluzione così dettagliata. Lo studio è stato pubblicato il 12 giugno 2020, numero della rivista Scienza .
I ricercatori si sono concentrati sugli echi delle onde sismiche che viaggiano sotto il bacino dell'Oceano Pacifico. La loro analisi ha rivelato una struttura precedentemente sconosciuta sotto le Isole Marchesi vulcaniche nel Pacifico meridionale e ha mostrato che la struttura sotto le Isole Hawaii è molto più grande di quanto precedentemente noto.
"Guardando contemporaneamente migliaia di echi di confine nucleo-mantello, invece di concentrarti su pochi alla volta, come si fa di solito, abbiamo ottenuto una prospettiva completamente nuova, " ha detto Doyeon Kim, un borsista post-dottorato presso il Dipartimento di Geologia dell'UMD e l'autore principale dell'articolo. "Questo ci sta mostrando che la regione di confine del nucleo-mantello ha molte strutture in grado di produrre questi echi, e questo era qualcosa che non ci rendevamo conto prima perché avevamo solo una visione ristretta".
L'immagine sopra mostra come le aree calde, roccia densa chiamata zone a velocità ultrabassa nel profondo della terra si piega e diffrange le onde sonore prodotte dai terremoti. In una nuova analisi delle onde diffratte registrate dai sismogrammi, I geologi dell'UMD rivelano un nuovo ULVZ sotto le Marchesi e un ULVZ più grande sotto le Hawaii rispetto a quanto precedentemente noto. Credito:Doyeon Kim/Università del Maryland
I terremoti generano onde sismiche sotto la superficie terrestre che viaggiano per migliaia di chilometri. Quando le onde incontrano cambiamenti nella densità delle rocce, temperatura o composizione, cambiano velocità, piegarsi o disperdersi, producendo echi che possono essere rilevati. Gli echi delle strutture vicine arrivano più rapidamente, mentre quelli provenienti da strutture più grandi sono più rumorosi. Misurando il tempo di viaggio e l'ampiezza di questi echi quando arrivano ai sismometri in luoghi diversi, gli scienziati possono sviluppare modelli delle proprietà fisiche della roccia nascosta sotto la superficie. Questo processo è simile al modo in cui i pipistrelli effettuano l'ecolocazione per mappare il loro ambiente.
Per questo studio, Kim e i suoi colleghi hanno cercato echi generati da un tipo specifico di onda, chiamata onda di taglio, mentre viaggia lungo il confine nucleo-mantello. In una registrazione di un singolo terremoto, noto come sismogramma, gli echi delle onde di taglio diffratte possono essere difficili da distinguere dal rumore casuale. Ma guardare molti sismogrammi di molti terremoti contemporaneamente può rivelare somiglianze e schemi che identificano gli echi nascosti nei dati.
Utilizzando un algoritmo di apprendimento automatico chiamato Sequencer, i ricercatori hanno analizzato 7, 000 sismogrammi da centinaia di terremoti di magnitudo 6,5 e superiori verificatisi intorno al bacino dell'Oceano Pacifico dal 1990 al 2018. Sequencer è stato sviluppato dai coautori del nuovo studio della Johns Hopkins University e dell'Università di Tel Aviv per trovare modelli di radiazione da stelle e galassie lontane . Quando applicato ai sismogrammi dei terremoti, l'algoritmo ha scoperto un gran numero di echi di onde di taglio.
"L'apprendimento automatico nelle scienze della terra sta crescendo rapidamente e un metodo come Sequencer ci consente di essere in grado di rilevare sistematicamente gli echi sismici e ottenere nuove informazioni sulle strutture alla base del mantello, che sono rimasti in gran parte enigmatici, " ha detto Kim.
Lo studio ha rivelato alcune sorprese nella struttura del confine nucleo-mantello.
terremoti, visto come stelle gialle qui, inviare onde sonore attraverso la Terra. Sismogrammi, visto come triangoli blu qui, registrare gli echi mentre quelle onde viaggiano lungo il confine nucleo-mantello, diffrazione e piegatura attorno a strutture rocciose dense. Una nuova ricerca dell'Università del Maryland fornisce la prima ampia visione di queste strutture, rivelandoli molto più diffusi di quanto precedentemente noto. Credito:Doyeon Kim/Università del Maryland
"Abbiamo trovato echi su circa il 40% di tutti i percorsi delle onde sismiche, " disse Vedran Lekic, professore associato di geologia all'UMD e coautore dello studio. "È stato sorprendente perché ci aspettavamo che fossero più rari, e ciò significa che le strutture anomale al confine tra nucleo e mantello sono molto più diffuse di quanto si pensasse in precedenza".
Gli scienziati hanno scoperto che la grande macchia di molto denso, materiale caldo al confine nucleo-mantello sotto le Hawaii ha prodotto echi particolarmente forti, indicando che è ancora più grande delle stime precedenti. Conosciute come zone a velocità ultrabassa (ULVZ), tali macchie si trovano alle radici dei pennacchi vulcanici, dove la roccia calda sale dalla regione di confine del nucleo-mantello per produrre isole vulcaniche. L'ULVZ sotto le Hawaii è il più grande conosciuto.
Questo studio ha anche trovato un ULVZ precedentemente sconosciuto sotto le Isole Marchesi.
"Siamo rimasti sorpresi di trovare una caratteristica così grande sotto le Isole Marchesi che non sapevamo nemmeno esistesse prima, " Ha detto Lekic. "Questo è davvero emozionante, perché mostra come l'algoritmo Sequencer può aiutarci a contestualizzare i dati dei sismogrammi in tutto il mondo in un modo che non avremmo potuto fare prima".
