解码神秘的地震信号

自PKP前兆地震信号被发现以来的几十年里，科学家们一直对其感到困惑。地球下地幔的区域会散射传入的地震波，这些地震波以不同的速度返回地表，成为PKP波。

关于前兆信号的起源，这些信号在主地震波（穿过地球核心）之前到达，其来源一直不明确，但犹他大学地球物理学家领导的研究为这一神秘的地震能量提供了新的见解。

根据美国地球物理联合会（American Geophysical Union）旗舰期刊《AGU Advances》上发表的研究显示，PKP前兆似乎是从北美洲和太平洋西部深处传播出来的，可能与“超低速区”有关，这是地幔中的薄层，地震波在其中会显著减慢。（美国地球物理联合会在其《Eos》杂志上也重点报道了这项研究。）

“这些是地球上发现的一些最极端的特征。我们确实不知道它们是什么，”该研究的主要作者、犹他大学地质学与地球物理学副教授Michael Thorne说，“但我们知道的一点是，它们似乎最终在热点火山下方积累。它们似乎可能是整个地幔柱的根源，从而引发了热点火山。”

这些地幔柱是黄石公园、夏威夷群岛、萨摩亚、冰岛和加拉帕戈斯群岛等地观察到的火山活动的原因。

“这些非常大的火山似乎在大约相同的位置持续存在了数亿年，”Thorne说。在之前的工作中，他还发现了世界上已知的最大超低速区之一。

“它就位于萨摩亚正下方，而萨摩亚是最大的热点火山之一，”Thorne指出。

近一个世纪以来，地球科学家们一直利用地震波探测地球内部，从而取得了许多其他方式无法获得的发现。例如，犹他大学的其他研究人员通过分析地震波，描述了地球固体内核的结构并追踪了其运动。

当地震震动地球表面时，地震波会穿过地幔——地幔是地壳与金属内核之间厚达2900公里的动态热岩层。Thorne的团队对那些在穿过地幔中不规则特征（导致物质成分发生变化）时发生“散射”的地震波感兴趣。其中一些散射波就变成了PKP前兆。

Thorne试图确定这种散射的确切发生位置，尤其是这些波在穿过地球液体外核之前和之后会两次穿过地幔。由于这种在地幔中的双重旅程，几乎无法区分前兆是起源于射线路径的源侧还是接收侧。

Thorne的团队（包括研究助理教授Surya Pachhai）设计了一种波形建模方法，以检测以前未注意到的重要影响。

研究人员使用了一种先进的地震阵列方法，以及从地震模拟中获得的新理论观测结果，他们分析了发生在新几内亚附近、穿过地球后被北美记录下来的58次地震的数据。

“我可以在地球表面的任何位置放置虚拟接收器，这可以告诉我地震发生在该位置时的地震图应该是什么样子。然后我们可以将其与我们拥有的真实记录进行比较，”Thorne说，“我们现在可以回溯投影出这种能量的来源。”

他们的新方法使他们能够精确定位散射发生在地球表面以下2900公里的液态金属外核与地幔之间的边界上，即核幔边界。

他们的研究结果表明，PKP前兆可能来自超低速区所在的区域。Thorne怀疑这些厚度仅为20至40公里的层是在大洋地壳中俯冲的构造板块冲击核幔边界时形成的。

“我们现在发现的是，这些超低速区不仅仅存在于热点下方。它们遍布北美洲下方的核幔边界，”Thorne说，“这些超低速区似乎正在被积极生成。我们不知道是如何生成的。但由于我们在俯冲带附近看到它们，我们认为洋中脊玄武岩正在融化，这就是它们的生成方式。然后动力将这些物质推向整个地球，最终它们将在热点下方积累。”

“我们现在已经发现，这些超低速带不仅仅存在于热点之下。它们还遍布北美洲下方核幔边界的整个区域，”索恩说。“这些超低速带看起来真的正在被积极生成。我们不知道是如何生成的。但是，由于我们在俯冲带附近发现了它们，我们认为中洋脊玄武岩正在熔化，这可能就是它们的生成方式。”

据索恩介绍，这些动力正在将这些物质推向地球各地，最终，它们将在大型低速带省（太平洋和非洲下方成分独特的大陆级特征）的边界处累积。

“它们可能还会在热点下方累积，但不清楚这些超低速带是否由相同的过程生成，”他说。确定此类过程的后果将有待未来研究。