ฝูงแผ่นดินไหวในฮาวายเกิดจากหินหนืดเคลื่อนตัวผ่าน 'ธรณีประตู'

ห้องที่มีรูปร่างคล้ายแพนเค้กเรียกว่า "ธรณีประตู" ทำหน้าที่ระบายหินหนืดไปทางด้านข้างและด้านบนเพื่อชาร์จห้องหินหนืดของภูเขาไฟที่ยังคุกรุ่นอย่างน้อยสองลูกของเกาะ ได้แก่ ภูเขาไฟเมานาโลอาและคีเลาเอีย นักธรณีวิทยาที่คาลเทคใช้อัลกอริธึมการเรียนรู้ของเครื่องสามารถใช้ข้อมูลที่รวบรวมจากสถานีแผ่นดินไหวบนเกาะเพื่อสร้างแผนภูมิโครงสร้างของธรณีประตู ทำแผนที่ด้วยความแม่นยำที่ไม่เคยเห็นมาก่อน และแสดงให้เห็นว่าพวกมันเชื่อมโยงภูเขาไฟ เหตุการณ์แผ่นดินไหวขนาดเล็กมากกว่า 192,000 เหตุการณ์ ซึ่งแต่ละเหตุการณ์แสดงเป็นจุดสีดำจุดเดียว เผยให้เห็นรูปร่างและตำแหน่งของธรณีประตูใต้เกาะฮาวายในแบบ 3 มิติ นอกจากนี้ นักวิจัยยังสามารถติดตามความคืบหน้าของหินหนืดขณะที่มันดันขึ้นผ่านธรณีประตู และเชื่อมโยงสิ่งนั้นกับกิจกรรมของคีเลา พวกเขาวิเคราะห์ช่วงเวลาที่สิ้นสุดในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2565 ดังนั้นจึงยังไม่สามารถบอกได้ว่าพวกเขาสามารถตรวจพบการไหลของหินหนืดที่นำไปสู่การปะทุของภูเขาไฟเมานาโลอาในวันที่ 27 พฤศจิกายนได้หรือไม่ แต่ทีมตั้งใจที่จะพิจารณาต่อไป "ก่อนการศึกษานี้ เราทราบเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับวิธีเก็บและขนส่งแมกมาที่อยู่ลึกลงไปใต้เกาะฮาวาย ตอนนี้ เรามีแผนที่ความละเอียดสูงของส่วนสำคัญของระบบประปา" จอห์น ดี. ไวล์ดิง (MS '22) กล่าว ) นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ Caltech และผู้เขียนร่วมของบทความที่อธิบายงานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสารScienceเมื่อวันที่ 22 ธันวาคม การศึกษาครั้งนี้ถือเป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์สามารถสังเกตโครงสร้างของหินหนืดที่อยู่ใต้ดินลึกนี้ได้โดยตรง “เราทราบดีอยู่แล้วว่าหินหนืดกำลังทำอะไรในส่วนตื้นๆ ของระบบเหนือความลึก 15 กิโลเมตร แต่จนถึงขณะนี้ ทุกสิ่งที่อยู่ด้านล่างเป็นเพียงการคาดเดาเท่านั้น” ไวล์ดิงกล่าว ด้วยข้อมูลมากกว่า 192,000 เทมโบลขนาดเล็ก (น้อยกว่า 3.0 แมกนิจูด) ที่เกิดขึ้นในช่วง 3.5 ปี ตั้งแต่ปี 2018 ถึงกลางปี ​​2022 ทีมงานสามารถทำแผนที่ธรณีประตูได้มากกว่าหนึ่งโหลที่ซ้อนทับกัน ที่ใหญ่ที่สุดคือประมาณ 6 กิโลเมตรคูณ 7 กิโลเมตร ธรณีประตูมีความหนาประมาณ 300 เมตร และมีระยะห่างประมาณ 500 เมตร Weiqiang Zhu นักวิจัยด้านวิชาการหลังปริญญาเอกด้านธรณีฟิสิกส์และผู้ร่วมเขียนบทความ Science กล่าวว่า "แผ่นดินไหวจากภูเขาไฟมักมีลักษณะเฉพาะด้วยขนาดที่เล็กและเกิดขึ้นบ่อยครั้งในช่วงความไม่สงบของแมกมาติค" "เรารู้สึกตื่นเต้นกับความก้าวหน้าล่าสุดของแมชชีนเลิร์นนิง โดยเฉพาะการเรียนรู้เชิงลึก ซึ่งช่วยตรวจจับและระบุตำแหน่งสัญญาณแผ่นดินไหวขนาดเล็กที่บันทึกโดยเครือข่ายแผ่นดินไหวหนาแน่นได้อย่างแม่นยำ แมชชีนเลิร์นนิงสามารถเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสำหรับนักแผ่นดินไหววิทยาในการวิเคราะห์ชุดข้อมูลที่เก็บถาวรขนาดใหญ่ ระบุรูปแบบ ในแผ่นดินไหวขนาดเล็ก และรับข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับโครงสร้างพื้นฐานและกลไกทางกายภาพ" ไวล์ดิงและจูทำงานร่วมกับเจนนิเฟอร์ แจ็คสัน ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์แร่ของวิลเลียม อี. ลีออนฮาร์ด; และ Zachary Ross ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านธรณีฟิสิกส์และ William H. Hurt Scholar; ซึ่งเป็นทั้งนักเขียนอาวุโสบนกระดาษ ในเดือนตุลาคม Ross ได้รับการเสนอชื่อให้เป็นหนึ่งใน Packard Fellows for Science and Engineering ปี 2022 ซึ่งจะให้ทุนสนับสนุนการวิจัยนี้ในอนาคต ทีมงานไม่ต้องวางฮาร์ดแวร์แม้แต่ชิ้นเดียวเพื่อทำการศึกษา แต่อาศัยข้อมูลที่รวบรวมโดยเครื่องวัดแผ่นดินไหวของการสำรวจทางธรณีวิทยาของสหรัฐอเมริกาบนเกาะ อย่างไรก็ตาม อัลกอริธึมการเรียนรู้ด้วยเครื่องที่พัฒนาขึ้นในห้องทดลองของ Ross ทำให้พวกเขามีความสามารถที่ไม่เคยมีมาก่อนในการแยกสัญญาณออกจากเสียงรบกวน กล่าวคือ สามารถระบุแผ่นดินไหวและตำแหน่งของแผ่นดินไหวได้อย่างชัดเจน ซึ่งสร้าง "เมฆจุด" แบบ 3 มิติที่แสดงให้เห็นธรณีประตู . "มันคล้ายกับการสแกน CT [เอกซเรย์คอมพิวเตอร์] ซึ่งเป็นวิธีที่แพทย์สามารถมองเห็นภายในร่างกายของผู้ป่วยได้" Ross กล่าว "แต่แทนที่จะใช้แหล่งกำเนิดที่ควบคุมด้วยรังสีเอกซ์ เราใช้แหล่งกำเนิดแบบพาสซีฟ ซึ่งก็คือ แผ่นดินไหว " ทีมงานสามารถจัดรายการแผ่นดินไหวได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ก่อนหน้านี้ประมาณ 10 เท่า และสามารถระบุตำแหน่งได้โดยมีระยะความคลาดเคลื่อนน้อยกว่าหนึ่งกิโลเมตร ตำแหน่งก่อนหน้านี้ถูกกำหนดโดยมีค่าคลาดเคลื่อนไม่กี่กิโลเมตร งานนี้สำเร็จโดยใช้อัลกอริธึมการเรียนรู้เชิงลึกที่ได้รับการสอนให้ระบุสัญญาณแผ่นดินไหวโดยใช้ชุดข้อมูลการฝึกอบรมของแผ่นดินไหวที่ระบุก่อนหน้านี้หลายล้านครั้ง แม้จะเกิดแผ่นดินไหวขนาดเล็ก ซึ่งอาจไม่โดดเด่นในสายตามนุษย์จากการวัดคลื่นไหวสะเทือน อัลกอริทึมจะค้นหารูปแบบที่แยกการสั่นสะเทือนออกจากเสียงรบกวนรอบข้าง ก่อนหน้านี้ Ross ใช้เทคนิคนี้เพื่อเผยให้เห็นว่าการฉีดของเหลวใต้ดินที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติทำให้เกิดแผ่นดินไหวเป็นเวลาสี่ปีใกล้เมือง Cahuilla รัฐแคลิฟอร์เนียได้อย่างไร ธรณีประตูดูเหมือนจะมีความลึกตั้งแต่ 36-43 กิโลเมตร (สำหรับการอ้างอิง มนุษย์ที่ลึกที่สุดที่เคยเจาะเข้าไปในโลกคือมากกว่า 12 กิโลเมตรเล็กน้อย) นักวิทยาศาสตร์รู้มานานแล้วว่าขอบเขตเฟสอยู่ที่ความลึกประมาณ 35 กิโลเมตรใต้เกาะฮาวาย ที่ขอบเขตเฟสดังกล่าว หินที่มีองค์ประกอบทางเคมีเดียวกันจะเปลี่ยนจากแร่ธาตุกลุ่มหนึ่งด้านบนไปยังกลุ่มต่างๆ ด้านล่าง จากการศึกษาข้อมูลใหม่ แจ็กสันตระหนักว่าการเปลี่ยนผ่านที่เกิดขึ้นในหินก้อนนี้ควบคู่กับการฉีดแมกมา อาจทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีและกระบวนการที่กดดันหรือทำให้หินอ่อนแอลง ซึ่งอาจอธิบายถึงการมีอยู่ของธรณีประตู และโดยการขยายความของแผ่นดินไหวที่ยังคุกรุ่นอยู่ Jackson กล่าวว่า "การเปลี่ยนผ่านของสปิเนลเป็น plagioclase ภายในหิน lherzolite อาจเกิดขึ้นจากการอพยพแบบกระจาย การกักขัง และการตกผลึกของหินหนืดที่หลอมละลายภายในชั้นเนื้อหินชั้นหินชั้นตื้นใต้เกาะฮาวาย" Jackson กล่าว "การรวมตัวดังกล่าวสามารถแสดงการอ่อนตัวชั่วคราวที่เกิดจากการเปลี่ยนรูปและปฏิกิริยาเคมีควบคู่กัน ซึ่งอาจเอื้อต่อการเจริญเติบโตของรอยร้าวหรือการกระตุ้นให้เกิดข้อผิดพลาด การฉีดแมกมาที่เกิดขึ้นซ้ำๆ จะปรับขนาดเกรนอย่างต่อเนื่องในชั้นธรณีที่ซับซ้อน ทำให้เงื่อนไขการเสียรูปของแผ่นดินไหวในหินยาวนานขึ้น กระบวนการนี้อาจใช้ประโยชน์ได้ การแปรผันของกำลังในแนวขวางเพื่อสร้างและรักษาคุณสมบัติการไหวสะเทือนด้านข้างที่มีขนาดกะทัดรัดที่เราสังเกตเห็น" นักวิจัยกล่าวว่ายังไม่ชัดเจนว่าธรณีประตูใต้เกาะบิ๊กไอส์แลนด์นั้นมีลักษณะเฉพาะของฮาวายหรือไม่ หรือว่าโครงสร้างใต้ภูเขาไฟแบบนี้เป็นเรื่องปกติ "ฮาวายเป็นเกาะที่มีการเฝ้าติดตามที่ดีที่สุดในโลก มีสถานีคลื่นไหวสะเทือนหลายสิบแห่งที่ทำให้เรามองเห็นสิ่งที่เกิดขึ้นใต้พื้นผิว เราต้องสงสัยว่ามีสถานที่อื่นเกิดขึ้นอีกกี่แห่ง" ไวล์ดิงกล่าว ยังไม่ชัดเจนว่าการเคลื่อนไหวของแมกมาทำให้เกิดการสั่นสะเทือนขนาดเล็กได้อย่างไร แผ่นดินไหวจัดทำแผนที่โครงสร้าง แต่กลไกที่แท้จริงของแผ่นดินไหวยังไม่เป็นที่เข้าใจ นักวิจัยกล่าว อาจเป็นไปได้ว่าการฉีดแมกมาจำนวนมากเข้าไปในอวกาศจะสร้างความเครียดอย่างมาก