Model komputer baru memvisualisasikan material di mantel bawah yang tidak mungkin berasal dari lempeng subduksi. (Kredit: Sebastian Noe / ETH Zurich)
Superkomputer mengungkap anomali tak terduga yang bersembunyi di lapisan bawah mantel bumi
ZURICH, Swiss — Bermil-mil di bawah Samudera Pasifik, di wilayah mantel bumi di mana kebijaksanaan konvensional mengatakan tidak ada hal aneh yang boleh terjadi, para ilmuwan telah menemukan sesuatu yang luar biasa. Dengan menggunakan teknologi inovatif untuk menganalisis gelombang seismik, para peneliti telah mengidentifikasi struktur masif yang menantang teori fundamental tentang bagaimana planet kita terbentuk dan berevolusi. Seolah-olah kita telah menemukan benua geologis baru – bukan di permukaan bumi, namun jauh di dalamnya.
Sama seperti dokter menggunakan gelombang ultrasonik untuk mengintip ke dalam tubuh manusia tanpa operasi, ahli geofisika menggunakan gelombang seismik dari gempa bumi untuk mempelajari bagian dalam bumi. Ketika gempa bumi terjadi, gempa bumi mengirimkan gelombang ke segala arah melalui planet ini. Gelombang-gelombang ini bergerak dengan kecepatan yang berbeda-beda tergantung pada material yang ditemuinya, membengkok, memantul, dan tersebar di sepanjang perjalanan. Dengan merekam gelombang-gelombang ini di stasiun seismik di seluruh dunia, para ilmuwan dapat membuat gambar struktur jauh di dalam bumi, seperti membuat pemindaian medis terhadap planet kita.
Selama beberapa dekade, teknik ini mengungkap pola gelombang yang bergerak cepat terutama di bawah area tempat lempeng tektonik bertabrakan dan satu lempeng menukik ke bawah lempeng lainnya – sebuah proses yang disebut subduksi. Pola-pola ini diperkirakan merupakan sisa-sisa lempeng tektonik kuno yang tenggelam ke dalam mantel bumi, lapisan antara kerak bumi dan inti bumi. Namun, studi baru yang menggemparkan, yang diterbitkan di Laporan Ilmiahtelah menemukan sesuatu yang tidak terduga.
Dengan menggunakan salah satu superkomputer terkuat di dunia, Piz Daint di CSCS di Lugano, para peneliti dari ETH Zurich dan California Institute of Technology telah menemukan pola gelombang serupa di tempat-tempat yang seharusnya tidak ada – di bawah lautan luas dan interior benua, jauh dari permukaan laut. batas lempeng yang diketahui. “Tampaknya, zona-zona di mantel bumi jauh lebih luas daripada yang diperkirakan sebelumnya,” kata Thomas Schouten, penulis utama studi tersebut dan mahasiswa doktoral di Institut Geologi ETH Zurich, dalam sebuah pernyataan.
Kunci penemuan ini terletak pada teknik canggih yang disebut inversi gelombang penuh (FWI). Berbeda dengan metode tradisional yang hanya menganalisis jenis gelombang seismik tertentu, FWI memeriksa seluruh seismogram, sehingga dapat menangkap gambaran interior bumi yang lebih lengkap. Pendekatan komprehensif ini memerlukan daya komputasi yang sangat besar namun memberikan detail yang belum pernah ada sebelumnya.
Temuan paling mencolok muncul di bawah Samudera Pasifik bagian barat, di mana para peneliti mengidentifikasi anomali besar di kedalaman antara 900 dan 1.200 kilometer. Menurut teori lempeng tektonik saat ini, material ini tidak mungkin berasal dari lempeng subduksi karena wilayah tersebut tidak memiliki sejarah zona subduksi terkini.
Profesor ETH Andreas Fichtner, yang mengembangkan model komputer, menarik persamaan medis: “Ini seperti seorang dokter yang telah memeriksa sirkulasi darah dengan USG selama beberapa dekade dan menemukan arteri tepat di tempat yang diharapkannya. Lalu jika Anda memberinya alat pemeriksaan baru yang lebih baik, tiba-tiba dia melihat arteri di pantat yang sebenarnya bukan tempatnya. Itulah yang kami rasakan tentang temuan baru ini.”
Penemuan ini menunjukkan bahwa struktur dalam Bumi ini mungkin memiliki asal usul yang beragam. “Kami berpendapat bahwa anomali di mantel bawah memiliki asal usul yang beragam,” jelas Schouten. Ini mungkin merupakan material kuno kaya silika yang bertahan sejak pembentukan mantel sekitar 4 miliar tahun yang lalu, meskipun terjadi pergerakan terus menerus. Atau, mungkin juga merupakan zona di mana batuan kaya zat besi telah terakumulasi selama miliaran tahun akibat pergerakan mantel ini.
Tim peneliti menekankan bahwa model saat ini hanya menunjukkan pola kecepatan gelombang, yang tidak dapat sepenuhnya menjelaskan interior bumi yang kompleks. Penelitian di masa depan perlu menggali lebih dalam sifat material yang menciptakan pola-pola ini, sehingga memerlukan model dan daya komputasi yang lebih canggih.
Ringkasan Makalah
Metodologi
Pendekatan penelitian mewakili kemajuan signifikan dalam cara para ilmuwan mempelajari interior bumi. Tomografi seismik tradisional hanya menganalisis gelombang gempa tertentu, terutama berfokus pada gelombang langsung yang bergerak sepanjang jalur yang diprediksi. Namun, metode inversi bentuk gelombang penuh yang baru memeriksa seluruh seismogram – termasuk gelombang yang dipantulkan, dibiaskan, dan tersebar yang diabaikan oleh metode tradisional. Hal ini sebanding dengan peningkatan dari X-ray dasar ke CT scan penuh, yang memberikan gambaran yang jauh lebih lengkap.
Tim tersebut menggunakan data dari stasiun seismik di seluruh dunia, dengan perhatian khusus pada gelombang yang merambat melalui wilayah yang sebelumnya belum banyak dipelajari seperti cekungan samudra dan interior benua. Persyaratan komputasi yang sangat besar untuk memproses data ini memerlukan penggunaan superkomputer Piz Daint, salah satu sistem komputasi paling kuat di dunia.
Hasil
Studi ini mengungkapkan beberapa temuan inovatif. Pertama, penelitian ini mengidentifikasi banyak anomali berkecepatan tinggi di seluruh mantel bumi yang belum terjawab dalam penelitian sebelumnya. Penemuan paling signifikan adalah anomali besar di bawah Samudera Pasifik bagian barat yang terletak pada kedalaman antara 900-1200 kilometer. Tidak seperti anomali yang terdeteksi sebelumnya, yang biasanya berkorelasi dengan zona subduksi yang diketahui, banyak dari fitur baru yang ditemukan ini muncul di wilayah yang tidak memiliki catatan geologi subduksi lempeng.
Analisis statistik tidak menunjukkan korelasi yang signifikan antara anomali ini dan zona subduksi di masa lalu, sehingga menantang asumsi lama bahwa fitur tersebut terutama mewakili sisa-sisa lempeng tektonik yang tersubduksi. Hal ini menunjukkan bahwa mantel bumi mungkin lebih heterogen – atau komposisinya bervariasi – dibandingkan perkiraan sebelumnya.
Keterbatasan
Meskipun metodologi baru ini menunjukkan kemajuan yang signifikan, namun masih menghadapi kendala-kendala tertentu. Resolusi pencitraan seismik masih bergantung pada distribusi gempa bumi dan stasiun seismik secara global, yang masih belum merata. Selain itu, meskipun FWI menyediakan data yang lebih komprehensif, FWI memerlukan sumber daya komputasi yang sangat besar dan membuat asumsi tertentu tentang perambatan gelombang melalui interior bumi.
Para peneliti mengakui bahwa model mereka saat ini hanya menunjukkan pola kecepatan gelombang tanpa secara langsung mengungkapkan komposisi atau sifat material yang menyebabkan pola tersebut. Seperti yang dicatat oleh Schouten, ini hanya mewakili satu sifat dari struktur interior bumi yang kompleks.
Kesimpulan dan Diskusi
Penelitian ini secara mendasar menantang pemahaman kita tentang struktur dan dinamika internal bumi. Hal ini menunjukkan bahwa proses di luar lempeng tektonik mungkin memainkan peran penting dalam membentuk interior bumi, termasuk material kuno yang diawetkan dari sejarah awal bumi atau akumulasi batuan kaya besi yang terbentuk melalui konveksi mantel.
Temuan ini memiliki implikasi penting terhadap cara para ilmuwan merekonstruksi pergerakan lempeng di masa lalu dan memahami evolusi termal dan kimia bumi. Temuan ini juga membuka jalan baru bagi penelitian komposisi dan dinamika mantel, yang menunjukkan bahwa interior bumi mungkin lebih kompleks dan beragam dibandingkan model yang ada saat ini.
Pendanaan dan Pengungkapan
Penelitian ini mendapat dukungan dari berbagai sumber, termasuk program penelitian Uni Eropa Horizon 2020 melalui hibah Marie Skłodowska-Curie, Swiss National Science Foundation, dan Laboratorium Seismologi di California Institute of Technology. Para penulis menyatakan tidak ada kepentingan yang bersaing.
Informasi Publikasi
Studi yang bertajuk “Inversi bentuk gelombang penuh mengungkapkan beragam asal mula anomali kecepatan gelombang positif mantel bawah,” diterbitkan dalam Scientific Reports (2024), DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-77399-2. Penelitian ini merupakan kolaborasi antara ETH Zurich dan California Institute of Technology, dengan dukungan tambahan dari Jet Propulsion Laboratory.
