Наша планета – це дивовижний об’єкт, що мчить космосом, обертаючись навколо своєї осі та навколо Сонця. А глибоко під нашими ногами, на глибині приблизно 2900 кілометрів, тверда, але в’язка мантія Землі переходить у рідке зовнішнє ядро. Це динамічне переміщення розплавлених порід, спричинене теплом, впливає на земну кору – тонкий шар, на якому ми живемо. Саме ця динаміка робить Землю сприятливою для різноманітного життя. Але вона ж є і джерелом небезпеки, особливо для нас, людей, та наших міст. Тому розуміння внутрішніх процесів Землі – це не просто наукова цікавість, це шлях до безпеки від землетрусів та інших природних катаклізмів.
Дослідники використовують землетруси як цінний інструмент для вивчення надр Землі, картографуючи їх набагато глибше, ніж це можливо за допомогою буріння. Нове дослідження, опубліковане в Journal of Geophysical Research: Solid Earth, пропонує революційний підхід. Вчені з Китайської академії наук застосували програму машинного навчання для аналізу понад 2 мільйонів сейсмічних записів, зібраних за три з половиною десятиліття. Це дозволило виявити майже 175 000 слабких сейсмічних сигналів, які вказують на несподівані дрібномасштабні структури поблизу межі мантії та ядра.
“Ми також виявили шість ділянок, які, ймовірно, містять значні неоднорідності, що раніше не були задокументовані. Це дає чіткі пріоритетні цілі для майбутніх досліджень глибинного інтер’єру Землі”, – зазначають автори дослідження. Результатом стала комплексна глобальна карта цих глибоких структур, яка свідчить про те, що деякі з дивних особливостей, виявлених на дні мантії, можуть бути значно масштабнішими, ніж вважалося раніше.
Дослідження зосередилося на особливому типі сейсмічних хвиль, відомих як передвісники PKP. Це слабкі хвилі, що приходять незадовго до значно сильніших сейсмічних хвиль (PKIKP). Коли відбувається землетрус, обидва типи хвиль подорожують крізь Землю. Якщо на своєму шляху хвилі зустрічають незначні зміни в матеріалі поблизу межі ядра та мантії, вони можуть розсіюватися та йти дещо різними шляхами. Розсіяні хвилі PKP, які проходять крізь зовнішнє рідке ядро, але не крізь тверде внутрішнє ядро, можуть прибути раніше, ніж основний сигнал PKIKP. Таким чином, аналізуючи час прибуття хвиль, ці передвісники PKP можуть “показати” незвичайні структури глибоко всередині планети.
Проблема в тому, що ці хвилі слабкі, і знайти їх у мільйонах сейсмічних записів – це колосальне завдання. Традиційно вчені мали вручну переглядати сейсмічні записи, шукаючи ці передвісники PKP, що є повільною, кропіткою роботою. До того ж, дослідники могли не завжди погоджуватися, чи є певний сигнал справжнім передвісником. Тому вчені навчили систему глибокого навчання виконувати початковий відбір. Це дозволило їм проаналізувати мільйони сейсмічних хвиль від майже 5000 землетрусів у період з 1990 по 2024 рік. Алгоритм спочатку сортував записи за якістю, а потім визначав, чи містять вони передвісники PKP. Важливо, що дослідники вручну перевіряли та виправляли помилки ШІ, а потім повертали виправлені приклади до алгоритму під час процесу навчання.
Загалом система ідентифікувала 174 929 високоякісних сигналів передвісників PKP – це більш ніж у десять разів більше, ніж усі попередні дослідження разом узяті. Така значна кількість спостережень має велике значення, оскільки раніші карти дна мантії показували відносно ізольовані, випадково розташовані структури. З розширеним набором даних дослідники побачили, що деякі з цих ділянок насправді з’єднуються у значно більші, безперервні пояси.
Ці структури можуть мати дивовижно давнє походження. Дослідники припускають, що деякі з них можуть бути пов’язані з матеріалом, затягнутим глибоко в Землю під час субдукції. За даними досліджень 2023 року, в глибинній мантії існує різноманітний матеріал, “такий як континентальна кора, осади, океанічна кора та первісні мантійні матеріали”. Можливо, там навіть збереглися залишки об’єкта, який, як вважається, утворив Місяць під час зіткнення із Землею. Під величезним тиском і температурою на межі ядра та мантії цей матеріал може хімічно диференціюватися, зазнавати мінеральних перетворень або частково плавитися, утворюючи кишені чи структури з фізичними властивостями, що суттєво відрізняються від навколишньої мантії.
Ці структури можуть впливати на рух мантії та на те, як гаряча магма піднімається під вулканами або вздовж глибоководних хребтів (оскільки різні породи нагріваються при різній температурі). Це, у свою чергу, може визначати, чи відбудеться виверження і наскільки воно буде сильним – інформація, корисна для нас. Вони також можуть пролити світло на наукові загадки, такі як формування тектонічних плит та дисбаланси в магнітному полі Землі.
Дослідники зазначають, що ці регіони мають стати пріоритетами для майбутніх досліджень з вищою роздільною здатністю, з використанням різних типів сейсмічних хвиль. “З розширенням каталогу його високодеталізоване просторово-часове покриття… сприятиме вдосконаленню моделей дрібномасштабних структур найнижчої мантії та надаватиме все більш багаті дані для поглиблення нашого розуміння геодинамічного стану глибинного інтер’єру Землі”, – підсумовує команда.