Глибоко під нашими ногами, приблизно за 2 900 кілометрів від поверхні, там, де в’язка мантія переходить у рідке зовнішнє ядро, вчені виявили шість раніше невідомих аномальних зон. Це стало можливим завдяки аналізу даних про землетруси за допомогою штучного інтелекту, повідомляє ScienceAlert.
Рух гарячих шарів усередині планети деформує земну кору, створюючи умови і для життя, і для небезпечних землетрусів та вивержень вулканів. Тому розуміння того, як поводяться глибокі шари Землі, важливе не лише з наукової цікавості, а й для оцінки природних ризиків.
Як землетруси «просвічують» надра планети
Безпосередньо пробурити до межі мантії та ядра неможливо, тож геофізики користуються сейсмічними хвилями від землетрусів. У новому дослідженні, опублікованому в Journal of Geophysical Research: Solid Earth, команда Китайської академії наук проаналізувала понад 2 мільйони записів землетрусів за останні три з половиною десятиліття.
Особливу увагу приділили слабким сейсмічним сигналам, відомим як попередники хвиль PKP. Це дуже тьмяні хвилі, які приходять трохи раніше за потужніші хвилі PKIKP. Коли хвилі проходять крізь Землю і зустрічають дрібномасштабні неоднорідності біля межі ядра й мантії, частина енергії розсіюється та йде іншими шляхами.
Розсіяні хвилі PKP проходять через рідке зовнішнє ядро, але не через тверде внутрішнє, і можуть досягати сейсмостанцій раніше основного сигналу PKIKP. За часом їхнього приходу можна судити про наявність незвичайних структур глибоко всередині планети.
Проблема в тому, що ці сигнали дуже слабкі, а виявити їх серед мільйонів записів — колосальна робота. Раніше дослідникам доводилося вручну переглядати сейсмограми, що повільно й суб’єктивно.
Штучний інтелект проти мільйонів сейсмограм
Щоб пришвидшити процес, науковці натренували систему глибокого навчання для попереднього відбору записів. Алгоритм проаналізував хвильові форми майже 5 000 землетрусів, що сталися між 1990 і 2024 роками.
Спочатку програма оцінювала якість записів, а потім визначала, чи містять вони попередники PKP. Важливо, що дослідники вручну перевіряли й виправляли помилки моделі, а скориговані приклади знову використовували для навчання. Так поєднали швидкість ШІ з контролем з боку фахівців.
У підсумку система виявила 174 929 якісних сигналів-попередників PKP — більш ніж у десять разів більше, ніж усі попередні роботи разом узяті. Завдяки такому масиву даних вдалося створити детальну глобальну карту структур на дні мантії.
Якщо раніше карти показували окремі, начебто випадкові «плями», то тепер стало видно, що деякі з них об’єднуються у великі, майже безперервні пояси.
Шість нових зон і їх можливе походження
Аналіз показав шість нових областей, позначених як B1–B6, які, за оцінкою авторів, містять «глибоко залягаючі розсіювачі» — неоднорідності, що помітно впливають на проходження сейсмічних хвиль. Ці зони раніше практично не досліджувалися за допомогою попередників PKP.
Дослідники обережно припускають, що частина виявлених структур може бути пов’язана з матеріалом, який занурився вглиб Землі внаслідок субдукції — коли океанічні плити занурюються під інші плити. За даними робіт 2023 року, в глибокій мантії можуть співіснувати різні типи речовини: континентальна й океанічна кора, осади, а також первинні мантійні матеріали.
Не виключено, що там зберігаються й залишки об’єкта, який колись зіткнувся із Землею та, ймовірно, спричинив утворення Місяця. На межі ядра й мантії, де панують гігантські тиски й температури, така речовина може хімічно змінюватися, частково плавитися або переходити в інші мінеральні фази, утворюючи «кишені» з властивостями, відмінними від навколишньої мантії.
Автори інтерпретують виявлені дрібномасштабні структури як можливі «термохімічні куполи», сформовані поєднанням кількох процесів: залишками багаторазово занурених плит, локальним частковим плавленням, мінеральними переходами та взаємодією з відомими «гігантськими грудками» — великими областями з низькою швидкістю зсувних хвиль.
Чому ці структури важливі для нас
Такі аномалії можуть впливати на рух мантії та на те, наскільки гарячою буде магма під вулканами або серединно-океанічними хребтами. Різні породи нагріваються й плавляться за різних температур, тож наявність особливих структур може визначати, чи відбудеться виверження і наскільки воно буде потужним.
Крім практичного значення для оцінки вулканічної активності, нові дані можуть допомогти розібратися з фундаментальними питаннями: як формувалися тектонічні плити, чому магнітне поле Землі має певні асиметрії та як у цілому працює глибинна динаміка планети.
Нова карта виділяє шість регіонів, які раніше були погано охоплені дослідженнями попередників PKP, але тепер виглядають перспективними для детальнішого аналізу. Серед них — області під високоширотною Євразією, Центральною Азією та Південною Атлантикою.
На думку авторів, ці зони мають стати пріоритетними для майбутніх високороздільних досліджень із використанням різних типів сейсмічних хвиль. Вони очікують, що зі зростанням каталогу таких сигналів вдасться суттєво уточнити моделі будови найнижчої частини мантії та краще зрозуміти геодинамічний стан глибин Землі.