هرچند دسترسی مستقیم به اعماق زمین امکانپذیر نیست، اما دانشمندان میتوانند با بررسی امواج لرزهای حاصل از زمینلرزههای شدید، به ساختارهای پنهان در اعماق سیاره پی ببرند.
دانشمندان چینی به تازگی ساختارهایی کشف کردند که در مرز بین «گوشته» نیمهجامد و گرانروی زمین و «هسته» بیرونی مایع آن، در عمق ۲۹۰۰ کیلومتری زیر پای ما قرار دارند.
آگهی
آگهی
این ساختارهای عمیق، تقریبا نامرئیاند و تنها از آنجا میتوان به وجودشان پی برد که مسیر حرکت امواج لرزهای را هنگام عبور، بهطور نامحسوس تغییر میدهند.
این دانشمندان در مقاله خود احتمال میدهند که این ساختارها زمانی شکل گرفته باشند که مواد موجود در لایههای سطحی زمین به اعماق سیاره رانده شدهاند.
این ساختارها ممکن است بخشهایی از پوسته قارهای یا حتی بقایای «تِیا / Theia» را در خود جای داده باشند؛ تِیا یک سیاره فرضی به اندازه مریخ است که تصور میشود ۴.۵ میلیارد سال پیش در پی برخورد با زمین، موجب شکلگیری ماه شده باشد. پوسته قارهای نیز لایهای از سنگهای آذرین، رسوبی و دگرگونی است که قارهها و نواحی کم عمق دریا را نزدیک ساحل خود تشکیل میدهند.
در اثر فشارهای عظیم و دماهای فوقالعاده بالا در مرز گوشته، این قطعات دچار دگرگونی میشوند، بخشی از آنها ذوب میشود یا ساختار کانیشناختی آنها تغییر میکند.
این قطعات در معرض فشارهای بسیار شدید و دماهای باورنکردنی در مرز گوشته قرار میگیرند و در نتیجه ممکن است دگرگون شوند، بخشی از آنها ذوب شود یا کانیهای تشکیلدهندهشان تغییر کنند.
پژوهشگران بر این باورند که در نتیجه این فرایند، شش «توده ترموشیمیایی» از مواد شکل گرفتهاند که تفاوت چشمگیری با گوشته پیرامون خود دارند.
اگرچه زمین از منظر ما در سطح، سیارهای نسبتا پایدار به نظر میرسد، اما در اعماق آن و بهویژه در مرز میان لایههای مختلف، فرایندهایی خشن و پویا در جریان است.
شگفتانگیزترین مرز بین لایههای زمین
یکی از شگفتانگیزترین این مرزها، محل تماس گوشته با هسته بیرونی زمین است که سنگهای جامد و در عین حال گرانرو (دارای ویسکوزیته) در مجاورت نیکل و آهنِ مایع قرار دارند.
در دو سوی این مرز، اختلاف دمایی عظیمی وجود دارد؛ بهطوری که دمای یک لایه حدود هزار درجه سانتیگراد بیشتر از لایه دیگر است.
گرمای شدیدی که از هسته بیرونی زمین خارج میشود، جریانهای همرفتی موسوم به «زبانههای گوشتهای» را ایجاد میکند که نقش مهمی در تعیین محل فعالیتهای آتشفشانی در سطح زمین دارند.
همچنین به دلیل تفاوتهای بسیار زیاد در چگالی، امواج لرزهای نیز در این مرز بهطور چشمگیری کند میشوند و همین امر به زمینشناسان اجازه میدهد آنچه را در این ناحیه رخ میدهد مشاهده کنند.
پژوهشگران برای بررسی دقیقتر این بخش عجیب از درون زمین، به سراغ نوع خاصی از امواج لرزهای رفتند که «پیشنشانگرهای PKP» نام دارند.
این امواج نسبتا ضعیفاند و اندکی پیش از امواج لرزهای قویتری که در پی زمینلرزهها ایجاد میشوند، به مقصد میرسند.
به فیسبوک یورونیوز فارسی بپیوندید
پیشنشانگرهای PKP برای دانشمندان اهمیت زیادی دارند، زیرا هنگام عبور از مرز گوشته، به دلیل تفاوتهای جزئی یا «ناهمگنیها» در ساختارهای پنهان این ناحیه، پراکنده میشوند و همین تغییرات سرنخهایی درباره ساختار اعماق زمین در اختیار پژوهشگران میگذارد.
این امواج پراکنده پس از عبور از هسته بیرونی مایع، بدون ورود به هسته درونی جامد، بازتاب میشوند و پیش از رسیدن موج اصلی به آشکارسازهای لرزهای میرسند.
مشکل این است که پیشنشانگرهای PKP آنقدر ضعیفاند که پیدا کردن آنها در دادههای لرزهای بسیار دشوار است و پژوهشگران باید هر سال آنها را بهصورت دستی از میان هزاران سیگنال ثبتشده شناسایی کنند.
وقتی هوش مصنوعی به کمک پژوهشگران میآید
پژوهشگران در مقاله خود مینویسند: «شناسایی دستی پیشنشانگرها هم ناکارآمد و هم وابسته به قضاوت فردی است و برای بررسی حجم عظیم دادههای لرزهای در سراسر جهان کفایت نمیکند.»
پژوهشگران برای عبور از این مشکل، یک مدل هوش مصنوعی آموزش دادند تا بتواند پیشنشانگرهای PKP را در میان دادههای لرزهای پیدا و شناسایی کند.
پس از آموزش مدل با امواجی که پژوهشگران پیشتر بهصورت دستی شناسایی کرده بودند، تیم تحقیقاتی هوش مصنوعی را روی بیش از دو میلیون داده ثبتشده از پنج هزار زمینلرزه مختلف آزمایش کرد.
مدل هوش مصنوعی آنها در نهایت توانست ۱۷۴ هزار و ۹۲۹ سیگنال باکیفیت از پیشنشانگرهای PKP را شناسایی کند؛ رقمی که بیش از ۱۰ برابر مجموع تمام مطالعات پیشین است.
این یافته به دانشمندان امکان داده است برای نخستین بار تصویری کمسابقه از مرز گوشته به دست آورند و مناطق گستردهای از ساختارهای ناشناخته در اعماق زمین را آشکار کنند.
کشف شش منطقه ناشناخته
پژوهشگران در مقاله خود نوشتهاند که «همچنین شش منطقه را کشف کردیم که احتمالا میزبان ناهمگنیهای قابلتوجهی هستند که پیش از این هرگز مستند نشده بودند؛ این مناطق اهداف اولویتدار و مشخصی برای اکتشافات آینده درون اعماق زمین فراهم میکنند.»
پژوهشهای قبلی صرفا در چند نقطه از جهان ساختارهایی پراکنده و ظاهرا بیارتباط با یکدیگر را شناسایی کرده بودند.
اما نقشه جدید نشان میدهد این قطعات پراکنده در واقع بخشهایی از ساختارهایی بسیار بزرگتر و بههمپیوسته بودهاند که به شکل نوارهایی گسترده در اعماق زمین امتداد دارند.
پژوهشگران هنوز نمیدانند این ساختارها دقیقا از چه چیزی ساخته شدهاند یا چگونه به وجود آمدهاند؛ اما آنچه تاکنون مشخص شده این است که ترکیب یا ویژگیهای آنها با گوشته اطراف متفاوت است.
با این حال، استفاده از مدلهای هوش مصنوعی برای تحلیل عمیقتر دادههایی که طی چند دهه گذشته جمعآوری شدهاند، میتواند بهزودی به دانشمندان کمک کند تصویر دقیقتری از ماهیت و شکلگیری این ساختارهای ناشناخته به دست آورند.
پژوهشگران میافزایند: «هرچه این مجموعه از دادهها گستردهتر شود، پوشش مکانی و زمانیِ دقیقتر آن به ما امکان خواهد داد مدلهای جزئیتر و دقیقتری از پایینترین بخش گوشته تهیه کنیم و اطلاعات بیشتری برای درک بهتر وضعیت و پویایی اعماق زمین در اختیار داشته باشیم.»
دانشمندان چینی یافتههای خود را در مجله JGR Solid Earth منتشر کردند.