Beeldvorming met hoge resolutie onthult raadselachtige kenmerken diep onder de grond

Nieuw onderzoek onder leiding van de Universiteit van Cambridge is het eerste dat een gedetailleerd ‘beeld’ heeft opgeleverd van een ongewone rotsformatie in de grenslaag met de kern van de aarde, zo’n drieduizend kilometer onder het oppervlak.

Het mysterieuze rotsgebied, bijna direct onder de Hawaiiaanse eilanden gelegen, is een van de vele regio’s met een zeer lage snelheid – zo genoemd omdat aardbevingsgolven langzaam kruipen als ze er doorheen gaan.

Onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift op 19 mei 2022 Natuurcommunicatieis de eerste die in detail de complexe interne anisotropie van een van deze zakken onthult, en licht werpt op de landschappen van de diepten van de aarde en de processen die daarin plaatsvinden.

“Van alle diepe interne kenmerken van de aarde is dit de meest fascinerende en complexe. We hebben nu het eerste solide bewijs verkregen dat de interne structuur laat zien – het is een echte mijlpaal in diepe seismologie”, zegt hoofdauteur Zhi Li, een PhD-student in de afdeling Aardwetenschappen in Cambridge. grond”.

Het binnenste van de aarde is gevormd als een ui: in het midden bevindt zich de kern van ijzer-nikkel, omgeven door een dikke laag die bekend staat als de mantel, en daarboven een dunne buitenste korst – de korst waarop we leven. Hoewel de mantel een massief gesteente is, is het heet genoeg om heel langzaam te stromen. Interne convectiestromen voeren warmte naar het oppervlak, waardoor tektonische platen bewegen en vulkaanuitbarstingen worden aangewakkerd.

Wetenschappers gebruiken seismische golven van aardbevingen om te “zien” wat zich onder het aardoppervlak bevindt – de echo’s en schaduwen van deze golven onthullen radarachtige beelden van het diepe binnenste. Maar tot voor kort waren “beelden” van structuren aan de kern-mantelgrens, een gebied van primair belang voor het bestuderen van de interne warmtestroom van onze planeet, korrelig en moeilijk te interpreteren.

De gebeurtenissen en banen van de Sdiff-stralen die in deze studie zijn gebruikt. a) Een dwarsdoorsnede die door het midden van het ultra-lage snelheidsgebied in Hawaï snijdt, met straaltrajecten voor Sdiff-golven op 96°, 100°, 110° en 120° voor het 1D PREM Earth-model. Stippellijnen van boven naar beneden geven de discontinuïteiten aan van 410 km, 660 km en 2.791 km (100 km boven de kern-mantelgrens). b) Gebeurtenissen en Sdiff-straaltrajecten op achtergrondtomografiemodel SEMUCB_WM1 op een diepte van 2791 km. Strandballen voor evenementen geschilderd in verschillende kleuren waaronder 20100.320 (geel), 20111214 (groen), 20120417 (rood), 20180910 (paars), 20180518 (bruin), 20181030 (roze), 20161122 (grijs), stations (driehoeken) , en stralen. Sdiff-golfbanen bij een gatdiepte van 2791 km in de onderste mantel die in deze studie is gebruikt. De gebeurtenis die in de kortetermijnanalyse is gebruikt, is geel gemarkeerd. De voorgestelde ULVZ-locatie is weergegeven in een zwarte cirkel. De stippellijn toont de doorsnede getekend in A. Credit: Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5

De onderzoekers gebruikten state-of-the-art numerieke modelleringsmethoden om kilometerschaalstructuren aan de kern-mantelgrens te detecteren. Volgens co-auteur Dr. Kuangdai Leng, die de methoden ontwikkelde terwijl hij[{” attribute=””>University of Oxford, “We are really pushing the limits of modern high-performance computing for elastodynamic simulations, taking advantage of wave symmetries unnoticed or unused before.” Leng, who is currently based at the Science and Technology Facilities Council, says that this means they can improve the resolution of the images by an order of magnitude compared to previous work.

The researchers observed a 40% reduction in the speed of seismic waves traveling at the base of the ultra-low velocity zone beneath Hawaii. This supports existing proposals that the zone contains much more iron than the surrounding rocks – meaning it is denser and more sluggish. “It’s possible that this iron-rich material is a remnant of ancient rocks from Earth’s early history or even that iron might be leaking from the core by an unknown means,” said project lead Dr Sanne Cottaar from Cambridge Earth Sciences.

Conceptual cartoons of the Hawaiian ultra-low velocity zone (ULVZ) structure. A) ULVZ on the core–mantle boundary at the base of the Hawaiian plume (height is not to scale). B) a zoom in of the modeled ULVZ structure, showing interpreted trapped postcursor waves (note that the waves analyzed have horizontal displacement). Credit: Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5

The research could also help scientists understand what sits beneath and gives rise to volcanic chains like the Hawaiian Islands. Scientists have started to notice a correlation between the location of the descriptively-named hotspot volcanoes, which include Hawaii and Iceland, and the ultra-low velocity zones at the base of the mantle. The origin of hotspot volcanoes has been debated, but the most popular theory suggests that plume-like structures bring hot mantle material all the way from the core-mantle boundary to the surface.

With images of the ultra-low velocity zone beneath Hawaii now in hand, the team can also gather rare physical evidence from what is likely the root of the plume feeding Hawaii. Their observation of dense, iron-rich rock beneath Hawaii would support surface observations. “Basalts erupting from Hawaii have anomalous isotope signatures which could either point to either an early-Earth origin or core leaking, it means some of this dense material piled up at the base must be dragged to the surface,” said Cottaar.

More of the core-mantle boundary now needs to be imaged to understand if all surface hotspots have a pocket of dense material at the base. Where and how the core-mantle boundary can be targeted does depend on where earthquakes occur, and where seismometers are installed to record the waves.

The team’s observations add to a growing body of evidence that Earth’s deep interior is just as variable as its surface. “These low-velocity zones are one of the most intricate features we see at extreme depths – if we expand our search, we are likely to see ever-increasing levels of complexity, both structural and chemical, at the core-mantle boundary,” said Li.

They now plan to apply their techniques to enhance the resolution of imaging of other pockets at the core-mantle boundary, as well as mapping new zones. Eventually, they hope to map the geological landscape across the core-mantle boundary and understand its relationship with the dynamics and evolutionary history of our planet.

Reference: “Kilometer-scale structure on the core–mantle boundary near Hawaii” by Zhi Li, Kuangdai Leng, Jennifer Jenkins and Sanne Cottaar, 19 May 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-30502-5