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Gli scienziati rilevano strutture diffuse inaspettate vicino al nucleo della Terra

I geofisici dell’Università del Maryland hanno analizzato migliaia di registrazioni di onde sismiche, onde sonore che viaggiano attraverso la Terra, per identificare gli echi dal confine tra il nucleo fuso della Terra e lo strato di mantello solido sopra di esso. Gli echi rivelarono strutture eterogenee più diffuse – aree di roccia insolitamente densa e calda – al confine tra il nucleo e il mantello di quanto precedentemente noto.

Gli scienziati non sono sicuri della composizione di queste strutture e studi precedenti hanno fornito solo una visione limitata di esse. Una migliore comprensione della loro forma ed estensione può aiutare a rivelare i processi geologici che avvengono nelle profondità della Terra. Questa conoscenza può fornire indizi sul funzionamento della tettonica a zolle e sull’evoluzione del nostro pianeta.

La nuova ricerca fornisce la prima visione completa del confine nucleo-mantello su una vasta area con una risoluzione così dettagliata. Lo studio è stato pubblicato nel numero del 12 giugno 2020 della rivista Science .

I ricercatori si sono concentrati sugli echi delle onde sismiche che viaggiano sotto il bacino dell’Oceano Pacifico. La loro analisi ha rivelato una struttura precedentemente sconosciuta sotto le vulcaniche Isole Marchesi nel Sud Pacifico e ha mostrato che la struttura sotto le Isole Hawaii è molto più grande di quanto precedentemente noto.

“Guardando migliaia di echi al contorno del mantello centrale contemporaneamente, invece di concentrarci su alcuni alla volta, come è solito fare, abbiamo ottenuto una prospettiva totalmente nuova”, ha detto Doyeon Kim, un borsista post-dottorato nel Dipartimento UMD di Geologia e autore principale dell’articolo. “Questo ci sta mostrando che la regione di confine del nucleo-mantello ha molte strutture in grado di produrre questi echi, ed era qualcosa che non avevamo realizzato prima perché avevamo solo una visione ristretta.”

I terremoti generano onde sismiche sotto la superficie terrestre che percorrono migliaia di miglia. Quando le onde incontrano cambiamenti nella densità, nella temperatura o nella composizione della roccia, cambiano velocità, curva o dispersione, producendo echi che possono essere rilevati. Gli echi delle strutture vicine arrivano più rapidamente, mentre quelli delle strutture più grandi sono più rumorosi. Misurando il tempo di viaggio e l’ampiezza di questi echi quando arrivano ai sismometri in luoghi diversi, gli scienziati possono sviluppare modelli delle proprietà fisiche della roccia nascosta sotto la superficie. Questo processo è simile al modo in cui i pipistrelli echolocano per mappare il loro ambiente.

Per questo studio, Kim e i suoi colleghi hanno cercato gli echi generati da un tipo specifico di onda, chiamata onda di taglio, mentre viaggia lungo il confine nucleo-mantello. In una registrazione di un singolo terremoto, noto come sismogramma, gli echi delle onde di taglio diffratte possono essere difficili da distinguere dal rumore casuale. Ma guardare molti sismogrammi di molti terremoti contemporaneamente può rivelare somiglianze e schemi che identificano gli echi nascosti nei dati.

Utilizzando un algoritmo di apprendimento automatico chiamato Sequencer, i ricercatori hanno analizzato 7000 sismogrammi provenienti da centinaia di terremoti di magnitudo 6,5 e maggiori che si verificano intorno al bacino dell’Oceano Pacifico dal 1990 al 2018. Sequencer è stato sviluppato dai co-autori del nuovo studio dell’Università John Hopkins e Tel Aviv Università per trovare schemi di radiazione da stelle e galassie distanti. Quando applicato ai sismogrammi dai terremoti, l’algoritmo ha scoperto un gran numero di echi delle onde di taglio.

“L’apprendimento automatico nelle scienze della terra sta crescendo rapidamente e un metodo come Sequencer ci consente di essere in grado di rilevare sistematicamente echi sismici e ottenere nuove intuizioni sulle strutture alla base del mantello, che sono rimaste in gran parte enigmatiche”, ha detto Kim.

Lo studio ha rivelato alcune sorprese nella struttura del confine nucleo-mantello.

“Abbiamo trovato echi su circa il 40% di tutti i percorsi delle onde sismiche”, ha affermato Vedran Lekic, professore associato di geologia all’UMD e coautore dello studio. “Questo è stato sorprendente perché ci aspettavamo che fossero più rari, e ciò significa che le strutture anomale al confine tra mantello e nucleo sono molto più diffuse di quanto si pensasse in precedenza.”

Gli scienziati hanno scoperto che l’ampia porzione di materiale molto denso e caldo al confine tra il nucleo e il mantello sotto le Hawaii ha prodotto echi straordinariamente forti, indicando che è persino più grande delle stime precedenti. Conosciute come zone ultralow-speed (ULVZ), tali patch si trovano alle radici dei pennacchi vulcanici, dove la roccia calda si alza dalla regione di confine del mantello centrale per produrre isole vulcaniche. La ULVZ sotto le Hawaii è la più grande conosciuta.

Questo studio ha anche trovato un ULVZ precedentemente sconosciuto sotto le Isole Marchesi.

“Siamo stati sorpresi di trovare una caratteristica così grande sotto le Isole Marchesi che non sapevamo nemmeno che esistesse prima”, ha detto Lekic. “Questo è davvero eccitante, perché mostra come l’algoritmo Sequencer può aiutarci a contestualizzare i dati del sismogramma in tutto il mondo in un modo che prima non potevamo”.

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