地震波是地震在地表之下產(chǎn)生的傳播數(shù)千公里的聲波。當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ趥鞑ネ局兴?jīng)過的巖石密度、溫度或成分發(fā)生變化時，它們也會改變速度，發(fā)生彎曲或散射，從而產(chǎn)生可被探測到的回聲。
來自探測儀附近結(jié)構(gòu)的回聲會更快地抵達(dá)探測器，而來自較大結(jié)構(gòu)的回聲則更加“響亮”。當(dāng)這些回聲在抵達(dá)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巖石的物理屬性模型，從而使我們獲取關(guān)于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。這樣一個過程與蝙蝠用回聲定位來描繪環(huán)境相似。
早在20世紀(jì)初，科學(xué)家就利用這種方法推斷出地球應(yīng)該有一個液態(tài)的外核，其依據(jù)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(jié)構(gòu)。| 圖片來源：thegeographeronline
現(xiàn)在，地球科學(xué)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(jié)構(gòu)的信息。地幔底部的結(jié)構(gòu)在大程度上仍然是一個謎，原因在于過去的研究大多一次只能關(guān)注少數(shù)幾個核-幔邊界回聲，這種情況下科學(xué)家所能獲取的信息是非常有限的，因此大大限制了科學(xué)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(dāng)?shù)卣鸩ㄑ刂?地幔邊界傳播，在致密的巖石結(jié)構(gòu)周圍發(fā)生衍射和彎曲時，地震儀（藍(lán)色倒三角形）會記錄下回聲。圖中的兩個黃色三角形標(biāo)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(xué)的地球物理學(xué)與約翰霍普金斯大學(xué)和特拉維夫大學(xué)的天體物理學(xué)家合作，利用一種人工智能算法，同時分析了數(shù)千份地震波記錄。他們的研究發(fā)現(xiàn)，核-幔邊界的不均質(zhì)結(jié)構(gòu)（異常致密、熾熱的巖石）比之前以為的要廣泛得多。
這項新的結(jié)果被發(fā)表在近期的《科學(xué)》雜志上，它是首個以如此全面、詳盡的細(xì)節(jié)，描繪的一個大范圍核-幔邊界視圖。
一直以來，科學(xué)家并不太確定核-幔邊界的不均質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成。然而，更好地理解這些結(jié)構(gòu)的形狀和范圍，對于揭示發(fā)生在地球內(nèi)部深處的地質(zhì)過程，并進(jìn)一步理解板塊構(gòu)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(jìn)行此類研究的關(guān)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(chǎn)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(nèi)的粒子的震動方向垂直于能量的傳導(dǎo)方向。
從單次地震的記錄中，我們很難區(qū)分衍射的剪切波回聲與隨機噪聲；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(shù)據(jù)中的回聲。然而，隨著來自世界各地的地震數(shù)據(jù)越來越多，科學(xué)家越來越需要訴諸于計算機算法才能更加準(zhǔn)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(xué)習(xí)算法，分析了在1990年至2018年間，發(fā)生在太平洋海盆的數(shù)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(xué)家開發(fā)來用于研究來自遙遠(yuǎn)恒星和星系的輻射模式的工具。而當(dāng)研究的第一作者Doyeon Kim將其應(yīng)用于分析地震記錄時，他發(fā)現(xiàn)了大量的剪切波回聲。這表明核-幔邊界區(qū)域的許多結(jié)構(gòu)都可以產(chǎn)生這些回聲，這樣的結(jié)果令地球科學(xué)家們非常意外。
他們在大約40%的地震波路徑中發(fā)現(xiàn)了這樣的回聲，這個數(shù)字很令人驚訝，因為地球科學(xué)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(jié)構(gòu)比之前認(rèn)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(fā)現(xiàn)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(zhì)，它可以產(chǎn)生“響亮”得出奇的回聲。這表明這塊物質(zhì)比之前預(yù)計的還要大。這種被稱為超低速度區(qū)域（ULVZ）的結(jié)構(gòu)位于火山羽狀流的根部，在那個位置，熱的巖石從核-幔邊界區(qū)域升騰，形成火山島?，F(xiàn)在，夏威夷下方的ULVZ是已知的最大的。
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(fā)現(xiàn)了一個過去不為人知的ULVZ結(jié)構(gòu)，這令研究人員倍感驚訝，因為如此巨大的一個結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)是非常鼓舞人心的，因為它表明，像Sequence這樣的算法將可以幫助研究人員以一種前所未有的方式在全球范圍內(nèi)解讀地震記錄數(shù)據(jù)。它標(biāo)志著像Sequencer這樣的機器學(xué)習(xí)正在地球科學(xué)研究中迅速發(fā)展，從而使得研究人員能夠更加系統(tǒng)地探測地震的回聲，對地幔底部的結(jié)構(gòu)產(chǎn)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
