Шесть ранее невиданных загадочных структур обнаружены глубоко под землёй

Фото из открытых источников

Если задуматься, это немного ошеломляет: мы несёмся сквозь космос на камне, который одновременно вращается вокруг своей оси и вращается вокруг Солнца.Примерно в 2900 километрах под нашими ногами твердая, но вязкая мантия Земли сменяется жидким внешним ядром планеты. По мере того, как эти слои медленно сжимаются под воздействием тепла, их движение приводит к скольжению, смещению и деформации земной коры — тонкого слоя, на котором мы живем.

Как ни удивительно, именно это динамичное движение является одной из причин, почему наша планета — прекрасное место для самых разнообразных форм жизни.  

Но это движение также представляет опасность, особенно для нас, людей, и наших бетонных городов. Поэтому понимание того, как движутся недра Земли, — это не просто научный интерес; это также помогает нам защититься от землетрясений и других стихийных бедствий.

Однако эти же землетрясения являются полезным инструментом для геологов, которые используют данные о внутренних колебаниях Земли для составления карт недр нашей планеты на гораздо больших глубинах, чем это когда-либо могли бы сделать буровые установки.

В новом исследовании, опубликованном в Journal of Geophysical Research: Solid Earth, исследователи из Китайской академии наук использовали программу машинного обучения для анализа более чем 2 миллионов записей землетрясений, собранных за три с половиной десятилетия.

Они обнаружили почти 175 000 слабых сейсмических сигналов, которые указывают на неожиданные мелкомасштабные структуры вблизи границы между мантией и ядром Земли.

«Мы также обнаружили шесть областей, которые, вероятно, содержат значительные неоднородности, ранее не задокументированные, что дает четкие приоритетные цели для будущих исследований глубоких недр Земли», — пишут исследователи.

В результате была создана исчерпывающая глобальная карта этих глубинных структур, которая показывает, что некоторые из странных образований, обнаруженных учеными на дне мантии, могут быть гораздо более обширными, чем считалось ранее.

В исследовании основное внимание было уделено особому типу сейсмических волн, называемых предвестниками PKP. Это слабые волны, которые появляются незадолго до гораздо более сильных сейсмических волн (PKIKP).

При землетрясении как более сильные, так и более слабые волны распространяются по Земле. Однако, если некоторые из этих волн сталкиваются с небольшими изменениями в материале вблизи границы ядра и мантии, они могут рассеиваться и следовать по несколько иным путям.

Рассеянные волны PKP, проходящие через внешнее жидкое ядро, но не через твердое внутреннее ядро, могут затем достигать цели раньше основного сигнала PKIKP.

Таким образом, анализ волновых времен позволяет выявить необычные структуры, возникающие в глубинах планеты, на основе этих предшественников PKP.

Проблема в том, что эти волны слабые, и обнаружить их в миллионах записей землетрясений — задача колоссальная.

Традиционно исследователям приходилось вручную изучать сейсмические записи в поисках этих признаков PKP, что является медленной и кропотливой работой. Кроме того, исследователи не всегда могли прийти к единому мнению относительно того, является ли сигнал подлинным предвестником. 

Поэтому исследователи обучили систему глубокого обучения для проведения первоначального анализа, что позволило им изучить миллионы сейсмических волновых форм почти 5000 землетрясений, произошедших в период с 1990 по 2024 год.

Алгоритм сначала отсортировал записи по качеству, а затем определил, содержат ли они предшественники PKP. 

Важно отметить, что исследователи вручную проверили и исправили ошибки модели ИИ, а затем в процессе обучения снова загрузили исправленные примеры в алгоритм.

В конечном итоге система выявила 174 929 высококачественных сигналов предшественников PKP — более чем в десять раз больше, чем во всех предыдущих исследованиях вместе взятых .

Такое значительное увеличение количества наблюдений имеет значение, поскольку более ранние карты нижней части мантии, как правило, показывали относительно изолированные, кажущиеся случайными структуры.

Благодаря расширенному набору данных исследователи смогли увидеть, что некоторые из этих участков фактически соединяются в гораздо более крупные, непрерывные полосы.

Эти сооружения могут иметь удивительно древнее происхождение.

Исследователи предполагают, что некоторые из этих структур могут быть связаны с материалом, затянутым глубоко в Землю в результате субдукции.

Согласно исследованиям 2023 года, в глубоких слоях мантии содержится множество различных материалов, «таких как континентальная кора, осадки, океаническая кора и материалы примитивной мантии».

Возможно, там даже сохранились остатки объекта, который, как считается, образовал Луну при столкновении с Землей.

Под воздействием огромного давления и температуры на границе ядра и мантии этот материал может подвергаться химической дифференциации, минеральным превращениям или частичному плавлению, образуя полости или структуры с очень разными физическими свойствами по сравнению с окружающей мантией.

Интерпретируя полученные результаты с осторожностью, исследователи пришли к выводу, что выявленные ими мелкомасштабные структуры могут представлять собой «термохимические скопления», сформированные в результате сочетания остатков субдуцированной плиты, локального частичного плавления, минеральных переходов и взаимодействия с известными «гигантскими сгустками», называемыми крупными провинциями с низкой скоростью сдвига.

Эти структуры могут влиять на движение мантии и на температуру магмы под вулканом или вдоль глубоководного хребта (поскольку разные породы нагреваются при разных температурах). И это может определять, произойдет ли извержение и насколько сильным оно будет, — информация, которая нам полезна. 

Они даже могут рассказать нам больше о научных диковинках, таких как формирование тектонических плит и дисбаланс магнитного поля Земли.

Ученые выделили шесть регионов, которые были недостаточно изучены в рамках исследований предшественников PKP и теперь представляются перспективными объектами для более тщательного исследования. К ним относятся, среди прочих, районы под высокоширотной Евразией, Центральной Азией и Южной Атлантикой.

Исследователи утверждают, что эти регионы теперь должны стать приоритетными для будущих исследований с более высоким разрешением, использующих различные типы сейсмических волн.

«По мере расширения каталога его высокоточное пространственно-временное покрытие будет способствовать усовершенствованию мелкомасштабных структурных моделей нижней мантии и предоставит все более богатые данные для углубления нашего понимания геодинамического состояния глубоких недр Земли», — заключает группа исследователей.