科学家可能不得不重新诠释地球内部的地震地图

麻省理工学院和澳大利亚国立大学的研究人员发现，地震海浪基本上是对整个地球内部发现的一种非常普遍的物质：水。图像：克里斯汀·丹尼尔洛夫（Christine Daniloff）

当地震罢工时，附近的地震仪以地震波的形式振动。除了揭示地震的震中外，地震波可以让科学家提供一种映射地球的内部结构的方法，就像一个CT扫描图像身体。

通过测量在各种深度行驶的地震波的速度，科学家可以确定地球表面下方的岩石和其他材料的类型。这种地震地图的准确性取决于科学家的理解，对各种材料如何影响地震波的速度。

现在，麻省理工学院和澳大利亚国立大学的研究人员发现，地震波对整个地球内部的一种非常常见的物质对着非常普遍的物质视而不见。

他们今天在本质上发表的调查结果，反对一般假设，即地震成像可以在地球上的上部地幔内深处拾取水的迹象。事实上，该团队发现即使痕量的水也没有对地震波行驶的速度产生影响。

结果可以帮助科学家重新诠释地球内部的地震地图。例如，在诸如米脊的地方，地球内部深处的岩浆爆发了海底的大规模裂缝，远离山脊并最终凝固作为新的海底。

在表面下方熔化的过程中熔化的过程除去了在更深度的岩石中发现的微量水。科学家们认为地震图像显示这种“湿干”过渡，对应于从刚性构造板到下面的可变形的地幔的过渡。然而，球队的研究结果表明，地震成像可能正在拾取不水的迹象，而是熔化 - 熔岩的熔体。

“如果我们看到非常强烈的变化[地震速度]，他们更有可能是因为融化，”MIT系，大气和行星科学家的研究科学家Ulrich Faul说。“基于这些实验的水不再是这种意义的主要球员。这将改变我们如何解释地球内部的图像。“

Faul的共同作者是澳大利亚国立大学的Emmanuel David，Andrew Berry，Andrew Berry和Ian Jackson以及埃姆曼纽尔大卫。

地震扭曲

Faul，Cline及其同事最初列出，以确定水如何影响地震波速。他们认为，由于大多数研究人员来说，这种地震成像可以“见”在岩石中的硝酸矿物颗粒内以羟基的形式“看到”水，并且作为这些颗粒之间的水分子尺寸袋。众所周知，水，即使是微小的量，也已知在地球内部深深地削弱了岩石。

“众所周知，水对岩石的性质非常少量的效果很大，”Faul说。“从那里，推断是水也会大大影响地震波速。”

为了测量水影响地震波速的程度，该团队产生了不同的橄榄石样品 - 一种构成大部分地地地幔的矿物质并确定其性质。它们在每个样品中捕获了各种量的水，然后一次将样品一体放在工程化以慢慢扭转岩石的机器中，类似于扭曲橡皮筋。实验在高压和温度下在炉中进行，以模拟地球内深处的条件。

“我们一端扭曲样品，并测量由此产生的应变的幅度和时间延迟，”Faul说。“这模拟了地震波穿过地球的传播。这种菌株的幅度类似于薄的人毛的宽度 - 在大气压的2,000倍的压力和接近钢的熔化温度的压力下不容易测量。“

该团队预计在给定样品中的水量与地震波通过该样品繁殖的速度之间的相关性。当初始样本没有显示预期的行为时，研究人员修改了组成并再次测量，但它们保持相同的负面结果。最终它变得不可避免，原始假设不正确。

“从我们的[扭曲]测量中，岩石表现得像干燥一样，即使我们可以清楚地分析那里的水，”Faul说。“那时，我们知道水没有区别。”

岩石，被包裹

实验的另一个意外结果是地震波速度似乎取决于岩石的氧化状态。地球上的所有岩石都含有一定量的铁，在各种氧化状态下，正如汽车上的金属铁在暴露于一定量的氧气时可以生锈。研究人员几乎无意中发现，橄榄石的铁氧化会影响地震波穿过岩石的方式。

康琳和粮农组织在不得不重新调败实验设置后达到了这一结论。为了执行他们的实验，该团队通常将每个岩石样品放在由镍和铁制成的圆筒中。然而，在测量每个样品在该气缸中的水含量时，它们发现水中的氢原子倾向于通过金属壳体逸出。为了含有氢气，它们将壳体切换到由铂制成的壳体。

他们惊讶的是，他们发现样品周围的金属类型影响了它们的地震性质。单独的实验表明，事实发生了变化是橄榄石的Fe3 +的量。通常，橄榄石中铁的氧化状态是2+。事实证明，Fe3 +的存在产生影响地震波速的缺陷。

Faul表示，该集团的研究结果表明，地震波可用于映射氧化水平，例如在地球的俯冲区域 - 海洋板下沉到地幔中。然而，基于其结果，地震成像不能用于将水的分布在地球内部的分布。一些科学家被解释为水的科学家实际上可能会融化 - 这是一个可能改变我们对地球如何随时间转移其构造板的理解的洞察力。

“潜在的问题是润滑地球上的构造板材，”Faul说。“我们的工作指向构造板底部少量熔体的重要性，而是在干板下方湿地幔。总体而言，这些结果可能有助于照亮地球内部和表面之间的挥发性循环。“

这项研究得到了美国国家科学基金会的部分支持。

出版物：C. J.Cline II等，“氧化还原对山上橄榄石的地震性质，”自然，第555卷，第355-358页（2018年3月15日）DOI：10.1038 / Nature25764