На глубине 2900 км ИИ нашел шесть неизвестных структур, окружающих ядро Земли

Строение глубинных слоев Земли до сих пор остается одной из самых сложных областей для прямого изучения. В то время как внешняя поверхность планеты картографирована с высокой точностью, ее недра на глубине нескольких тысяч километров недоступны для физических приборов и буровых установок. Самая глубокая скважина, когда-либо созданная человеком, уходит вглубь всего на 12,2 километра. Это составляет менее двух десятых процента от расстояния до центра планеты.

Основная часть внутренних процессов Земли скрыта значительно глубже. Особый интерес для геофизиков представляет граница между твердой силикатной мантией и жидким металлическим ядром. Этот рубеж находится на глубине около 2900 километров. Именно там происходят процессы, определяющие тепловой режим всей планеты, движение тектонических плит и генерацию магнитного поля.

Недавно группа исследователей опубликовала в научном журнале JGR Solid Earth результаты многолетней работы. Ученые использовали методы глубокого машинного обучения для анализа сейсмических волн, прошедших через недра планеты за последние 34 года. Этот анализ позволил обнаружить структуру, которую раньше не удавалось различить: шесть непрерывных и протяженных поясов из аномального вещества, опоясывающих границу между мантией и внешним ядром.

Физика земных недр: что разделяет граница на глубине 2900 километров

Чтобы понять суть открытия, необходимо рассмотреть, как устроена Земля на большой глубине. Наша планета состоит из концентрических слоев: тонкой внешней коры, мощной силикатной мантии и массивного ядра, разделенного на жидкую внешнюю и твердую внутреннюю части.

Мантия Земли простирается от основания коры до глубины 2900 километров. Она сложена плотными породами, богатыми кремнием, магнием и кислородом. Несмотря на то что вещество мантии находится под огромным давлением и сильно нагрето, оно остается твердым. Однако в масштабах миллионов лет эти породы ведут себя пластично: они крайне медленно перемещаются, участвуя в процессе тепловой конвекции — горячие массы поднимаются вверх, а более холодные опускаются вниз.

Под мантией находится внешнее ядро толщиной около 2200 километров. Оно состоит преимущественно из расплавленного железа с примесью никеля и более легких элементов, таких как сера, кремний или кислород. Температура здесь превышает 3500-4000 градусов Цельсия.

Граница между мантией и внешним ядром представляет собой резкий физический и химический раздел. В этой узкой зоне твердые силикатные породы мантии вступают в прямой контакт с потоками жидкого металла ядра. Плотность вещества здесь резко возрастает почти в два раза — с 5,5 грамма на кубический сантиметр в нижней части мантии до примерно 10 граммов на кубический сантиметр в верхнем слое ядра. Этот перепад плотности и давления создает сложные термодинамические условия.

Сейсмические волны как инструмент измерения

Поскольку добраться до этой границы невозможно, геофизики используют данные о распространении сейсмических волн, возникающих при сильных землетрясениях. Энергия землетрясения распространяется сквозь толщу планеты в виде упругих колебаний двух основных типов:

1. Продольные волны (P-волны). Это волны сжатия и растяжения. В них частицы породы колеблются параллельно направлению движения самой волны. P-волны обладают наибольшей скоростью и способны проходить сквозь любые среды — твердые, жидкие и газообразные.
2. Поперечные волны (S-волны). Это волны сдвига, в которых колебания происходят перпендикулярно направлению распространения. Поперечные волны могут существовать только в твердых телах, так как жидкости и газы не обладают упругостью на сдвиг. При входе в жидкое внешнее ядро S-волны полностью затухают.

Сейсмометры, установленные по всему земному шару, с высокой точностью фиксируют время прихода, амплитуду и форму этих волн. Зная точное время и координаты очага землетрясения, ученые вычисляют скорость движения волн на разных глубинах. Если скорость отклоняется от расчетной, значит, на пути волны находятся породы с измененной плотностью, составом или температурой.

Механика фазы PKP и появление предвестников

Для изучения границы ядра и мантии сейсмологи применяют особый тип продольных волн, который обозначается латинскими буквами PKP. Это обозначение описывает путь, который проходит сейсмический луч:

• P — волна выходит из очага землетрясения и движется через толщу твердой мантии;
• K (от немецкого Kern — ядро) — волна преломляется, входит в жидкое внешнее ядро и пересекает его;
• P — волна выходит из жидкого ядра обратно в твердую мантию с противоположной стороны планеты и достигает сейсмической станции.

Если бы недра Земли состояли из абсолютно гладких и однородных слоев, волны PKP приходили бы на противоположную сторону планеты в строго определенный момент времени, рассчитанный по законам геометрической оптики и акустики.

Однако реальная нижняя часть мантии неоднородна. Если волна на своем пути встречает локальный объект с отличной плотностью или упругостью (например, включение другого минерального состава или область с повышенной температурой), часть ее энергии испытывает рассеяние.

Рассеяние означает, что фронт волны отклоняется от своего первоначального направления в разные стороны. Из-за этого часть рассеянной энергии может пойти по траектории, которая оказывается короче пути основного волнового фронта. В результате сейсмическая станция на поверхности регистрирует слабый сигнал на несколько секунд раньше, чем придет основная, более мощная волна PKP.

Такие ранние сигналы получили название PKP-предвестников (precursors).

Время их регистрации и спектральные характеристики несут в себе прямую информацию о размерах и свойствах неоднородностей, находящихся на глубине 2900 километров. Изучая эти предвестники, можно оценить, насколько шероховатой или химически неоднородной является граница ядра и мантии.

Проблема выделения слабых сигналов

Несмотря на высокую информативность PKP-предвестников, их практическое применение долгое время оставалось ограниченным из-за серьезного технического препятствия.

Предвестники обладают чрезвычайно малой амплитудой. Это очень слабые колебания грунта, которые легко маскируются посторонними шумами. На сейсмические записи постоянно накладываются естественные микросейсмы — колебания от океанического прибоя, атмосферных бурь, а также техногенный шум от движения транспорта и работы промышленности. Кроме того, к моменту появления предвестников на датчики станции могут продолжать поступать хвосты других сейсмических волн от того же землетрясения.

До недавнего времени отбором таких сигналов исследователи занимались преимущественно вручную. Специалисты визуально просматривали графики сейсмограмм, применяли полосовую фильтрацию частот и пытались найти характерные колебания, предшествующие основной фазе PKP.

Этот метод имел три фундаментальных недостатка:

1. Низкая скорость работы. Человек физически не способен внимательно проанализировать миллионы записей, накопленных мировой сетью сейсмометров за десятилетия.
2. Субъективность. Разные операторы могут по-разному оценивать слабые колебания на фоне шума, что вносит систематическую погрешность в итоговые каталоги.
3. Ограниченность выборки. Ученым приходилось концентрироваться только на небольшом количестве самых чистых записей от наиболее сильных землетрясений либо использовать данные компактных локальных групп сейсмометров. В итоге получалась фрагментарная картина отдельных изолированных участков на дне мантии.

Применение глубокого обучения к архиву за 34 года

Чтобы перейти от точечных наблюдений к созданию полной глобальной картины, авторы нового исследования использовали методы искусственного интеллекта. Они разработали и обучили глубокую нейросеть, способную обрабатывать непрерывный поток волновых данных.

Модель обучали решать задачу бинарной классификации: определять, присутствует ли на конкретном участке сейсмограммы реальный сигнал предвестника PKP, либо этот участок содержит исключительно инструментальный и природный шум.

Чтобы исключить ошибки модели, исследователи применили контролируемое обучение. Они вручную разметили тысячи образцов сейсмических записей, разделив их на подтвержденные сигналы и ложные срабатывания. На основе этой обучающей выборки нейросеть выделила устойчивые математические признаки предвестников: характерное соотношение частот, изменение амплитуды во времени и форму волнового цуга. После этого систему многократно тестировали, корректируя весовые коэффициенты алгоритма.

Окончательную версию модели применили к глобальному архиву сейсмических данных, собранных станциями со всего мира в период с 1990 по 2024 год. Всего алгоритм обработал более двух миллионов сейсмограмм.

В результате нейросеть выявила 174 929 подтвержденных сигналов PKP-предвестников. Этот объем данных примерно в десять раз превысил сумму всех каталогов предвестников, составленных научным сообществом за всю предшествующую историю сейсмологии.

Шесть непрерывных поясов неоднородностей

Столь плотное покрытие сейсмическими лучами позволило исследователям построить две подробные глобальные карты границы ядра и мантии. Первая карта показывает вероятность регистрации предвестников в зависимости от региона прохождения волны, а вторая — наиболее вероятное географическое положение самих рассеивающих структур на глубине 2900 километров.

Когда весь массив данных нанесли на карту, обнаружилась закономерность, которую не удавалось выявить на малых выборках. Области рассеяния, которые раньше выглядели как изолированные точечные пятна, объединились в шесть протяженных непрерывных полос или поясов.

Эти пояса расположены под следующими регионами:

1. Северная Атлантика;
2. Северная часть Евразийского континента;
3. Южная Атлантика;
4. Юг Африки;
5. Центральная и западная части Тихого океана;
6. Периметр Антарктиды.

Полученная карта стала самым плотным и пространственно полным описанием неоднородностей основания мантии на сегодняшний день.

Более того, авторы работы сопоставили полученные координаты с ранее известными данными о так называемых зонах ультранизких скоростей (Ultra-Low Velocity Zones, или ULVZ). Это специфические тонкие прослойки на границе ядра, в которых скорость распространения сейсмических волн резко падает на 10-20 процентов для продольных волн и почти до 50 процентов для поперечных волн. Выяснилось, что наиболее активные зоны рассеяния из нового каталога пространственно совпадают с известными зонами ультранизких скоростей, подтверждая достоверность выводов нейросети.

Геологические процессы, формирующие аномалии

Наличие непрерывных поясов из аномального материала указывает на масштабные геодинамические процессы, действующие в нижней мантии. Авторы исследования выделяют три взаимосвязанных физических механизма, которые объясняют возникновение этих структур.

1. Погружение древних тектонических плит (субдукция)

Литосферные плиты, слагающие океаническое дно, постоянно обновляются. В зонах субдукции (например, по периметру Тихого океана) холодная и плотная океаническая кора поддвигается под континенты и медленно опускается в мантию.

Раньше считалось, что эти опускающиеся плиты полностью разогреваются и перемешиваются с окружающим веществом в верхней или средней мантии. Однако современные геодинамические модели показывают, что наиболее плотные блоки базальтовой коры могут преодолевать всю толщу мантии за сотни миллионов лет и достигать границы с ядром.

Опускаясь на дно мантии, они не могут проникнуть в более плотное жидкое металлическое ядро и начинают растекаться горизонтально вдоль границы, образуя вытянутые полосы из относительно холодного материала, отличающегося по плотности и минеральному составу от окружающей среды.

2. Химическое расслоение (дифференциация)

На глубине 2900 километров давление превышает 130 гигапаскалей (это более 1,3 миллиона атмосферных давлений), а температура достигает нескольких тысяч градусов. В таких условиях силикатные минералы мантии (в основном бриджманит и ферропериклаз) могут вступать в химические реакции с жидким железом внешнего ядра.

В ходе этих реакций происходит обмен элементами: железо диффундирует из ядра в основание мантии, обогащая пограничные слои силикатов. Железистые силикаты обладают существенно большей плотностью, чем обычные мантийные породы. Они оседают вниз под действием гравитации и концентрируются в протяженные устойчивые резервуары, которые служат сильными центрами рассеяния для проходящих сейсмических волн.

3. Локальное частичное плавление

Тепловой поток из жидкого металлического ядра направлен наружу, в сторону мантии. Температура плавления базальтового вещества, занесенного древними опустившимися плитами, ниже температуры плавления окружающих перидотитовых пород мантии.

Попадая в зону интенсивного нагрева от ядра, базальты начинают частично плавиться. Даже присутствие нескольких процентов жидкой фазы между зернами минералов приводит к резкому замедлению сейсмических волн и вызывает интенсивное рассеяние энергии.

Таким образом, обнаруженные пояса представляют собой области сложного взаимодействия: это зоны накопления остатков древней коры, обогащенные тяжелым железом и частично переведенные в расплавленное состояние.

Ограничения метода и направления дальнейших исследований

Несмотря на высокую статистическую значимость результатов, авторы исследования обращают внимание на ограничения использованного подхода.

Во-первых, построенные карты отражают вероятность нахождения рассеивающих неоднородностей, а не их точные геометрические границы. Сигнал PKP-предвестника сообщает о том, что где-то на траектории сейсмического луча произошло рассеяние, но одна изолированная станция не способна определить точную глубину или вертикальную форму рассеивателя.

Во-вторых, сохраняется фундаментальная проблема неравномерного распределения сейсмических станций и очагов землетрясений. Подавляющее большинство землетрясений происходит вдоль границ литосферных плит, а подавляющее большинство сейсмометров установлено на суше, в основном в развитых странах Северного полушария. Дно Мирового океана и приполярные области по-прежнему покрыты редкой сетью приборов, поэтому плотность данных по этим регионам ниже, чем по Евразии или Северной Америке.

Для дальнейшего повышения точности моделей ученые планируют объединить новый каталог PKP-предвестников с данными по другим типам сейсмических волн — в частности, с поперечными (S) волнами и обменными волнами, которые меняют свой тип с продольного на поперечный при отражении от границы ядра. Кроме того, постепенное развертывание постоянных сейсмических станций на дне океанов позволит заполнить оставшиеся белые пятна в южном полушарии.

Влияние открытия на понимание динамики Земли

Обнаружение шести непрерывных поясов неоднородностей меняет фундаментальные представления о том, как функционирует нижняя граница мантии.

Граница ядра и мантии не является ровной и пассивной поверхностью. Она представляет собой термически и химически активный слой, неоднородности которого напрямую влияют на теплообмен между ядром и мантией.

Тепловой поток от ядра распределяется неравномерно: плотные и холодные опустившиеся плиты могут экранировать тепло, тогда как соседние участки, наоборот, способствуют его быстрой передаче. Неравномерность теплового потока на этой границе определяет характер конвективных движений жидкого железа во внешнем ядре. А именно конвекция электропроводящей жидкости порождает и поддерживает глобальное магнитное поле Земли, защищающее биосферу от космической радиации.

Кроме того, по краям таких крупных мантийных неоднородностей часто формируются восходящие мантийные плюмы — вертикальные потоки разогретого вещества, которые поднимаются к поверхности и приводят к масштабному внутриплитному вулканизму и расколу континентов.

Новый каталог из 175 тысяч сейсмических сигналов дает исследователям эмпирическую основу для уточнения цифровых моделей планетарной конвекции. Он связывает поверхностное движение тектонических плит с глубинными процессами, доказывая, что вещество земной коры способно совершать полный цикл круговорота через всю толщу мантии до границы жидкого ядра и сохраняться там в виде масштабных упорядоченных структур на протяжении геологических эпох.

Источник: Journal of Geophysical Research: Solid Earth