Неопознанные структуры глубоко внутри Земли

Ученые обнаружили огромные неопознанные структуры глубоко внутри Земли. Огромная структура из плотного материала занимает границу между жидким внешним ядром Земли и нижней мантией, зону около 3000 километров (1864 мили) под нашими ногами.

Исследователи использовали алгоритм машинного обучения, который был первоначально разработан для анализа далеких галактик, чтобы исследовать таинственное явление, происходящее глубоко в нашей собственной планете, согласно статье, опубликованной в четверг в журнале Science.

Одна из этих огромных аномалий, расположенная глубоко под Маркизскими островами, никогда ранее не обнаруживалась, в то время как другая структура под Гавайями оказалась намного больше, чем предполагалось ранее.

Ученые во главе с Доёном Кимом, сейсмологом и докторантом из Университета Мэриленда, подали сейсмограммы, полученные в результате сотен землетрясений, произошедших в период с 1990 по 2018 годы, в алгоритм под названием Sequencer. В то время как сейсмологические исследования, как правило, фокусируются на относительно небольших наборах данных о региональной активности землетрясений, Sequencer позволил Киму и его коллегам проанализировать 7000 измерений землетрясений — каждое с магнитудой не менее 6,5 — которые потрясли подземный мир под Тихим океаном в течение последних трех десятилетия.

«Это исследование очень особенное, потому что впервые мы систематически рассматриваем такой большой набор данных, который на самом деле охватывает более или менее весь Тихоокеанский бассейн», — сказала Ким. Хотя ученые ранее наметили структуры глубоко внутри Земли, это исследование предоставляет редкую возможность «собрать все вместе и попытаться объяснить это в глобальном контексте», отметил он.

Землетрясения создают сейсмические волны, которые проходят через внутреннее пространство Земли, где они рассеиваются и искажаются структурами глубоко внутри нашей планеты. Эти искаженные модели отражены в сейсмограммах, которые регистрируют волновую активность внутри Земли, позволяя сейсмологам фиксировать редкие проблески недоступного подземного мира Земли.

Команда сосредоточилась на сейсмограммах, создаваемых сдвиговыми (S) волнами, которые проходят вдоль границы между ядром Земли и нижней частью мантии, которая граничит с ней. Эти волны являются более медленными вторичными волнами, которые следуют за начальными толчками, вызванными землетрясениями, называемыми первичными (Р) волнами, и они обычно производят более четкие сигналы.

«Обычно мы предпочитаем использовать S-волны, потому что они больше по амплитуде, а данные более или менее чистые, потому что трафик P-волн меньше», — говорит Ким. В частности, команда искала поперечные волны, рассеивающие вдоль границы ядро-мантия. «Поскольку он дифрагирует вдоль этой поверхности, это отличная фаза для поиска этих крошечных структур на вершине границы ядро-мантия», — отметила Ким.

Когда поперечные волны попадают в эти структуры, они производят эхо-подобную сигнатуру, известную как «посткурсор» ( на сайте Кима есть полезные цифры этого процесса). Эти отголоски указывают на наличие аномалий глубоко внутри Земли, называемых зонами сверхнизкой скорости (ULVZ), которые представляют собой плотные участки на границе ядро-мантия.

Никто точно не знает, как образуются УМО, или из чего они сделаны, но ясно, что они имеют диаметр около ста километров и достаточно плотны, чтобы замедлять проходящие через них волны.
Хотя гавайская структура была частично намечена в предыдущих исследованиях, команда Кима обнаружила, что ее размеры намного больше, чем ожидалось. Между тем, мега-ULVZ, обнаруженный под Маркизскими островами, представляет собой «ранее неизвестную локализованную аномалию скорости волны», согласно исследованию.

Мега-ULVZs являются интригующими структурами не только из-за их размера, но и потому, что они могут состоять из экзотических материалов, которые датируются временем, когда Земля имела Луну. Эти огромные аномальные куски могли быть частично расплавленным материалом, который предшествовал событию формирования Луны, которое ученые считают гигантским столкновением между ранней Землей и объектом размером с Марс более четырех миллиардов лет назад.

«Это очень интересно, потому что это может указывать на то, что мега-ULVZ являются особыми и могут содержать примитивные геохимические сигнатуры, которые были относительно не смешаны с ранней истории Земли», — сказала Ким.

Новое исследование демонстрирует применение таких алгоритмов, как Sequencer, которые используют специальный тип процесса, называемый обучением без наблюдения, при обработке сложных наборов данных, подобных тем, которые можно найти в астрономии, сейсмологии и в бесчисленных других научных областях. В отличие от контролируемых алгоритмов обучения, которые обучаются сортировке информации на основе известных меток, неконтролируемые алгоритмы предназначены для поиска информации в немаркированных наборах данных.

«Что, если мы действительно не знаем, что искать в наборе данных?» объяснил Ким. «Это типичный вопрос, о котором мы хотели бы подумать, потому что нижняя мантия, цель нашего исследования, все еще содержит так много неизвестных. Неудивительно, что в нижней мантии почти что-то можно найти, потому что мы не можем войти внутрь и взглянуть на это невооруженным глазом ».

«Когда вы используете секвенсор, он фактически находит дополнительную информацию, скрытую за этим набором данных», — продолжил он. «Итак, что мы здесь сделали, так это нашли оптимальное расположение в самом наборе данных. На самом деле мы не изменяем набор данных; мы ничего не делаем, а просто переставляем и находим это оптимальное расположение. Вот что делает Sequencer.

Команда планирует продолжить разработку этого нового способа вглядывания в Землю, исследуя высокочастотные волны, которые могут дать более точные сведения о загадочных структурах на границе ядро-мантия. Исследователи также надеются расширить свой набор данных на сейсмограммы, полученные под Атлантическим океаном.