Примерно в 2900 километрах под нашими ногами мантия Земли встречается с жидким внешним ядром. Эти глубинные слои непрерывно и очень медленно движутся под действием тепла, влияя на земную кору, тектонические процессы, землетрясения и вулканизм.
Добраться туда бурением невозможно, поэтому геологи используют своеобразный «рентген» планеты — сейсмические волны от землетрясений. Теперь с их помощью удалось обнаружить шесть ранее неизвестных областей с необычной структурой вещества.
Исследователи Китайской академии наук проанализировали более двух миллионов записей землетрясений, собранных за три с половиной десятилетия. Для обработки такого массива данных они применили систему машинного обучения.
В результате удалось выделить почти 175 тысяч слабых сейсмических сигналов, указывающих на небольшие неоднородности возле границы мантии и ядра. Среди них ученые обнаружили шесть областей, которые ранее вообще не были описаны и теперь считаются особенно интересными для дальнейших исследований.
Для работы использовался особый вид слабых сейсмических сигналов — так называемые предвестники волн ПКП. Они появляются незадолго до более мощных волн, проходящих через внутренние области Земли.
Если сейсмическая волна встречает около границы ядра и мантии участок вещества с необычными свойствами, часть ее энергии рассеивается и начинает двигаться по немного другому пути. Такие слабые сигналы могут прийти к приборам раньше основной волны.
По времени их прихода ученые способны определить, где глубоко внутри планеты находятся необычные структуры.
Главная проблема заключается в том, что эти сигналы чрезвычайно слабые. Раньше специалистам приходилось вручную просматривать огромное количество сейсмических записей, причем даже исследователи могли расходиться во мнении, является ли конкретный сигнал настоящим предвестником.
Поэтому ученые обучили систему глубокого обучения предварительно анализировать записи почти 5000 землетрясений, произошедших с 1990 по 2024 год. Сначала алгоритм оценивал качество данных, а затем искал необходимые слабые сигналы.
Ошибки системы при этом проверяли вручную. Исправленные результаты снова использовали при обучении, постепенно повышая точность анализа.
В итоге было найдено 174 929 качественных сигналов — более чем в десять раз больше, чем во всех предыдущих подобных исследованиях вместе взятых.
Такое количество данных заметно изменило картину происходящего в нижней части мантии. На старых картах необычные структуры выглядели как отдельные и случайно разбросанные участки. Новые данные показали, что некоторые из них могут соединяться в гораздо более крупные непрерывные пояса.
Происхождение этих образований может уходить в очень далекое прошлое Земли.
Часть вещества могла быть затянута глубоко в мантию в процессе субдукции, когда одна тектоническая плита погружается под другую. В глубинах могут находиться материалы континентальной и океанической коры, осадочные породы и древнее вещество мантии.
Ученые также допускают, что там могут сохраняться остатки объекта, столкновение которого с Землей, как предполагается, привело к образованию Луны.
На границе ядра и мантии действуют колоссальные давление и температура. В таких условиях вещество может менять химический состав, переходить в другие минеральные формы или частично плавиться. В результате возникают области, свойства которых сильно отличаются от окружающей мантии.
Исследователи осторожно предполагают, что обнаруженные структуры могут представлять собой скопления вещества, сформированные сразу несколькими процессами: остатками погружавшихся тектонических плит, локальным плавлением, минеральными превращениями и взаимодействием с уже известными гигантскими областями мантии с пониженной скоростью прохождения сейсмических волн.
Подобные структуры способны влиять на движение мантии и на нагрев магмы под вулканами или глубоководными океаническими хребтами. А это, в свою очередь, может быть связано с вероятностью и силой извержений.
Изучение этих областей также способно помочь ученым лучше понять происхождение тектонических плит и некоторые неоднородности магнитного поля Земли.
Особое внимание теперь привлекают шесть районов, которые раньше были плохо изучены с помощью таких сейсмических сигналов. Среди них находятся области под высокими широтами Евразии, Центральной Азией и Южной Атлантикой.
Исследователи считают, что следующим этапом должно стать более детальное изучение этих участков с использованием сразу нескольких типов сейсмических волн. По мере накопления новых данных карта глубин Земли будет становиться все точнее и позволит лучше понять процессы, происходящие у самой границы мантии и ядра.
