地球物理学家发现称为PKP前兆的地震波与地球地幔中的异常之间存在联系。

一项新的研究表明，多年来一直困扰科学家的PKP前兆地震信号源自北美和西太平洋深处的超低速区。犹他大学的研究人员利用先进的地震技术，将这些区域与热点火山等重要的地质特征联系起来，并追踪其起源至地核-地幔边界。

PKP前体及地震之谜

自它们被发现以来的几十年里，被称为PKP前兆的地震信号一直困扰着科学家们。地球下地幔区域会散射进入的地震波，这些地震波以不同的速度作为PKP波返回地表。

先驱信号（precursor signals）的起源尚不清楚，这些信号会在主要地震波到达之前穿越地球核心，但由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提供了新的线索。

根据美国地球物理学会主要期刊《AGU Advances》8月10日发表的研究，PKP前兆似乎从北美和西太平洋下方的深处传播，并且可能与“超低速度区”有关，超低速度区是地幔中的薄层，地震波在此会显著减慢。

将PKP前体物质与地质特征联系起来

“这些是地球上发现的最极端的特征之一。我们确实不知道它们是什么，”第一作者迈克尔·索恩（Michael Thorne）表示，他是地质学和地球物理学副教授。“但有一件事我们知道，那就是它们似乎最终会聚集在热点火山下方。它们似乎可能是整个地幔柱的根源，从而产生热点火山。”

正是这些羽状物导致了黄石公园、夏威夷群岛、萨摩亚群岛、冰岛和加拉帕戈斯群岛的火山活动。

“这些非常大、非常大的火山似乎能够在基本相同的位置持续数亿年，”索恩说。在之前的研究中，他还发现了世界上最大的超低速度区之一。

“它正好位于萨摩亚群岛之下，而萨摩亚群岛就是最大的热点火山之一，”索恩说。

地震波分析进展

近一个世纪以来，地质学家一直利用地震波探测地球内部，发现了许多不可能实现的发现。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并追踪了其运动。

当地震撼动地球表面时，地震波会穿过地幔——地壳和金属地核之间2900公里厚的热岩动态层。索恩的团队对那些在穿过地幔中物质成分发生变化的不规则特征时“散射”的地震波很感兴趣。其中一些散射波就变成了PKP前兆波。

索恩试图确定这种散射的确切位置，特别是因为这些波在穿过地球液态外核之前和之后，都要两次穿越地幔。由于波要两次穿越地幔，因此要区分这些前驱波是起源于射线路径的源端还是接收端，几乎是不可能的。

地震学中的创新研究技术

索恩的团队中包括研究助理教授苏里亚·帕查伊，他们找到了一种建模波形的方法，来检测之前未被发现的关键效应。

研究人员利用先进的地震阵列方法和地震模拟中的新理论观测结果，分析了 58 次发生在新几内亚附近、穿越地球后被北美地区记录下的地震数据。

“我可以在地球表面的任何位置放置虚拟接收器，从而知道那个位置的地震所产生的地震波形。然后我们可以将其与我们现有的实际记录进行比较，”索恩说。“我们现在可以回溯到这个能量的来源。”

他们的新方法使他们能够准确地指出散射发生在液态金属外核和地幔之间的边界上，即地核-地幔边界，位于地球表面以下2900公里处。

地核-地幔相互作用和超低速带(ULVZs)

他们的发现表明，PKP 前兆可能来自超低速度区。索恩怀疑这些厚度仅为 20 到 40 公里的地层，是在俯冲的构造板块在海洋地壳中与地核-地幔边界碰撞时形成的。

“我们现在发现的是，这些超低速带不仅存在于热点之下，它们还广泛分布于北美下方的地核-地幔边界，”索恩说。“这些超低速带看起来确实正在活跃地生成。我们不知道是如何发生的。但因为我们看到它们靠近俯冲带，我们认为中洋脊玄武岩正在熔化，而这就是它的生成方式。然后这些物质的动力会将其推向整个地球，最终它们会积聚在热点之下。”

据索恩所说，这种动力正在推动这些事物遍布整个地球，并最终会累积在低速大省的边界上，低速大省是太平洋和非洲之下在成分上截然不同的大陆级特征。

“它们可能还会在热点之下累积，但尚不清楚这些超低速区是否由同一过程产生，”他说。确定这一过程的后果需要等待未来的研究。

参考文献：“调查北美和西太平洋下方超低速区作为PKP散射源：与俯冲洋壳的潜在联系”，作者：迈克尔·S·索恩、苏里亚·帕凯、李明明、杰米·沃德和西巴斯蒂安·罗斯特，2024年8月10日，《美国地球物理联合会进展》。DOI：10.1029/2024AV001265