Wetenschappers hebben diep in de aarde mysterieuze structuren ontdekt

Met gegevens van honderden aardbevingen en machine learning zijn nieuwe inzichten opgedaan over wat er 3000 kilometer onder ons in de aarde zit.
24 juni 2020, 1:39pm
mist over een groen dal
Mist op de Markiezenarchipel. Beeld: Tom Patterson

Wetenschappers hebben een laag van dicht materiaal ontdekt tussen de buitenkern en de binnenmantel van de aarde, dus zo’n 3000 kilometer onder de grond. De onderzoekers gebruikten een algoritme op basis van machine learning om dit mysterieuze fenomeen te onderzoeken. Het algoritme was oorspronkelijk ontwikkeld om afgelegen sterrenstelsels te analyseren. De resultaten staan in een paper dat deze maand in Science gepubliceerd werd.

De onderzoekers ontdekten meerdere grote afwijkingen. Een daarvan, die zich diep onder de Markiezenarchipel bevindt, een eilandengroep in de Stille Oceaan, was nooit eerder ontdekt. Daarnaast bleek een gesteente onder Hawaï veel groter te zijn dan altijd was aangenomen.⁠

Het onderzoek stond onder leiding van Doyeon Kim, een seismoloog en postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Maryland. Ze voedden het algoritme – genaamd Sequencer – met seismogrammen van honderden aardbevingen die tussen 1990 en 2018 hebben plaatsgevonden. Bij seismologische studies wordt normaal gesproken gebruikgemaakt van relatief kleine datasets van regionale aardbevingen, maar met Sequencer konden Kim en zijn collega’s 7000 metingen van aardbevingen onderzoeken. Deze hadden allemaal een kracht van minstens 6,5 op de Schaal van Richter en vonden in de afgelopen drie decennia plaats onder de Stille Oceaan.

“Het is een bijzonder onderzoek, omdat we voor het eerst systematisch zo’n grote dataset konden onderzoeken die min of meer het volledige stroomgebied van de Stille Oceaan beslaat,” vertelde Kim aan de telefoon. De binnenkant van de aarde is natuurlijk vaker onderzocht, maar dit specifieke onderzoek was een zeldzame gelegenheid om “alles samen te voegen en uit te leggen binnen een mondiale context”, zei hij.⁠

Aardbevingen leiden tot seismische golven binnen de aarde, waar ze verspreid en vervormd raken door structuren binnen onze planeet. De patronen die hieruit komen worden vastgelegd in seismogrammen: opnames van golfactiviteit binnen de aarde waarmee seismologen zeldzame glimpen op kunnen vangen van de onbereikbare onderwereld van de aarde.⁠

Het team richtte zich op seismogrammen van zogeheten S-golven die plaatsvonden tussen de buitenkern en de binnenmantel. Deze secundaire golven komen na de eerste grote trillingen van aardbevingen, die primaire golven of P-golven worden genoemd, en produceren over het algemeen duidelijkere signalen.

“We gaan graag uit van S-golven omdat ze een grotere amplitude hebben en de gegevens min of meer schoon zijn, want ze worden minder bevuild door P-golven,” zegt Kim. Om precies te zijn zocht het team naar S-golven die bij de grens tussen de kern en de mantel verstoord raakten. “Dat is een goede manier om de kleine structuren op de kernmantelgrens te vinden,” zegt Kim.

Wanneer de S-golven deze structuren raken, produceren ze een echo-achtige signatuur die ook wel ‘postcursor’ wordt genoemd (op de website van Kim kun je een aantal handige illustraties van dit proces vinden). Deze echo’s wijzen erop dat er diep binnen de aarde afwijkingen zitten die ook wel ultralage snelheidszones (of ultra low velocity zones – ULVZ’s) worden genoemd, plekken met extreem lage seismische snelheden.

Niemand weet precies hoe ULVZ’s worden gevormd en waar ze uit bestaan, maar het is wel bekend dat ze diameters van honderd kilometer kunnen hebben en dicht genoeg zijn om golven te vertragen.

Door duizenden seismogrammen door Sequencer te laten draaien, kwamen Kim en zijn collega’s erachter dat de sterkste postcursor-signalen in hun dataset afkomstig waren van de gebieden onder Hawaï en de Markiezenarchipel. Het bewijst dat er twee “mega-ULVZ’s” zijn, die minstens duizend kilometer kunnen beslaan.

Het gebied onder Hawaï was in andere onderzoeken al aan bod gekomen, maar het team van Kim kwam erachter dat het nog veel groter was dan gedacht. De mega-ULVZ onder de Markiezenarchipel betekent volgens het onderzoek een “voorheen niet-geïdentificeerde gelokaliseerde golfsnelheid-afwijking”.

Mega-ULVZ’s zijn niet alleen vanwege hun omvang intrigerend, maar ook omdat ze zouden kunnen bestaan uit exotische materialen die nog ouder zijn dan de maan. Deze brokken zouden deels gesmolten materiaal kunnen zijn dat dateert van voordat de maan was gevormd, wat volgens wetenschappers waarschijnlijk gebeurde toen de nog jonge aarde ruim vier miljard jaar geleden botste met een object ter grootte van Mars.

“Dat is erg interessant, want het zou erop kunnen wijzen dat mega-ULVZ’s primitieve geochemische structuren kunnen bevatten die in de geschiedenis van de aarde relatief ongewijzigd zijn gebleven,” zegt Kim.

Het nieuwe onderzoek laat ook zien wat je met algoritmes als Sequencer kunt doen. Sequencer verwerkt door middel van ‘unsupervised learning’ complexe datasets zoals die er veel zijn in de astronomie, seismologie en talloze andere wetenschappelijke gebieden. In tegenstelling tot supervised learning-algoritmes, die getraind worden om informatie te sorteren op basis van bekende labels, zijn unsupervised learning juist ontworpen om inzichten te verschaffen in ongelabelde datasets.

“Maar wat als we niet echt weten waar we naar moeten zoeken in de dataset?” legt Kim uit. “Die vraag stellen we wel vaker, want er is nog veel onbekend over ons onderzoeksobject – de binnenmantel. Dat is ook niet heel gek, we kunnen immers niet zomaar naar binnen wandelen om het met onze eigen ogen te bekijken.”

“Als je Sequencer gebruikt, vind je extra informatie die in de dataset verborgen zit,” gaat hij verder. “We zochten naar de optimale opstelling binnen de dataset zelf. We hebben de dataset niet aangepast; het enige wat we deden was herschikken en de optimale opstelling vinden.”

Het team is van plan om deze methode om in de aarde te kijken voort te zetten. Dit willen ze doen door golven van een hogere frequentie te onderzoeken die misschien preciezere details kunnen vertellen over de raadselachtige structuren op de kernmantelgrens. De onderzoekers hopen ook hun dataset uit te kunnen breiden met seismogrammen van onder de Atlantische Oceaan.

“We hopen dat we met Sequencer al deze uiteenlopende datasets kunnen gebruiken, en ze samen kunnen voegen om deze mantelstructuren systematisch te onderzoeken,” zegt Kim. “Dat is nu ons plan: om meer vragen te beantwoorden over de binnenkern in het algemeen.”

Dit artikel verscheen oorspronkelijk bij VICE US.