科学家们探测到了有史以来最深的地震,地震发生在地表以下 467 英里(751 公里)处。
这个深度使地震发生在下地幔,地震学家预计地震不可能发生。这是因为在极端压力下,岩石更容易弯曲和变形,而不是突然释放能量而破裂。但并未参与这项研究的内华达大学拉斯维加斯分校地质材料教授帕梅拉伯恩利说,矿物的行为并不总是如预期的那样准确。即使在它们应该转变为不同的、不易发生地震的状态的压力下,它们也可能停留在旧的配置中。
“仅仅因为他们应该改变并不意味着他们会改变,”伯恩利告诉 Live Science。那么,地震可能揭示的是,地球内部的边界比人们通常认为的要模糊得多。
跨越边界
此次地震于 6 月首次发表在《地球物理研究快报》杂志上,是 2015 年在日本大陆附近的波宁群岛发生的 7.9 级地震的轻微余震。由亚利桑那大学地震学家 Eric Kiser 领导的研究人员使用日本的 Hi – 地震台网阵列。未参与这项研究的南加州大学地震学家约翰·维代尔 (John Vidale) 说,该阵列是目前使用的最强大的地震检测系统。地震很小,在地表感觉不到,因此需要灵敏的仪器才能找到它。
Vidale 告诉 Live Science,地震的深度仍需要其他研究人员确认,但这一发现看起来很可靠。“他们做得很好,所以我倾向于认为这可能是对的,”维代尔说。
这使得地震有点令人头疼。绝大多数地震都是浅层地震,起源于地表以下前 62 英里(100 公里)内的地壳和上地幔。在平均仅向下延伸约 12 英里(20 公里)的地壳中,岩石又冷又脆。伯恩利说,当这些岩石承受压力时,它们在破碎前只能弯曲一点,像螺旋弹簧一样释放能量。在地壳和下地幔深处,岩石温度更高,压力更高,这使得它们更不容易破裂。但是在这个深度,当高压推动岩石中充满流体的孔隙,迫使流体流出时,就会发生地震。伯恩利说,在这些条件下,岩石也容易发生脆性断裂。
这些类型的动力学可以解释深达 249 英里(400 公里)的地震,该地震仍在上地幔中。但即使在 2015 年博宁余震之前,在下地幔中也观察到了地震,地震距离大约为 420 英里(670 公里)。伯恩利说,这些地震长期以来一直是个谜。岩石中容纳水的孔隙已被挤压关闭,因此流体不再是触发因素。
“在那个深度,我们认为所有的水都应该被赶走,而且我们肯定离我们会看到典型的脆性行为的地方很远很远,”她说。“这一直是个难题。”
深度超过 249 英里的地震问题与矿物在压力下的行为方式有关。这颗行星的大部分地幔是由一种叫做橄榄石的矿物组成的,它有光泽,呈绿色。大约向下 249 英里,压力导致橄榄石的原子重新排列成不同的结构,一种叫做瓦兹莱石的蓝色矿物。再深入 62 英里(100 公里),wadsleyite 又重新排列成菱镁矿。最后,在地幔深处约 423 英里(680 公里)处,菱镁矿分解成两种矿物,布里奇曼石和方镁石。当然,地球科学家不能直接探测地球那么远,但他们可以使用实验室设备来重现极端压力并在地表产生这些变化。由于地震波在不同矿物相中的移动方式不同,地球物理学家可以通过观察大地震引起的振动来看到这些变化的迹象。
最后一次转变标志着上地幔的结束和下地幔的开始。这些矿物相的重要之处不在于它们的名称,而在于它们各自的行为不同。伯恩利说,它类似于石墨和钻石。两者都由碳制成,但排列不同。石墨是在地球表面稳定的形式,而钻石是在地幔深处稳定的形式。两者的表现都非常不同:石墨柔软、灰色且光滑,而钻石非常坚硬和透明。随着橄榄石转变为更高压力的阶段,它变得更有可能弯曲并且不太可能以触发地震的方式破裂。
直到 1980 年代,地质学家都对上地幔的地震感到困惑,但仍然无法就地震发生的原因达成一致。伯恩利和她的博士生导师、矿物学家哈里·格林提出了一个可能的解释。在 1980 年代的实验中,两人发现橄榄石矿物相并不那么整齐干净。例如,在某些情况下,橄榄石可以跳过瓦兹利石阶段,直接进入菱镁矿阶段。就在橄榄石到菱镁矿的过渡阶段,在足够的压力下,这种矿物实际上可能会断裂而不是弯曲。
“如果我的样本没有发生转变,它就不会破裂,”伯恩利说。“但是当我发生转变并同时挤压它的那一刻,它就会破裂。”
伯恩利和格林于 1989 年在《自然》杂志上报告了他们的发现,表明过渡带的这种压力可以解释 249 英里以下的地震。
然而,新的博宁地震比这个过渡带更深。在向下 467 英里处,它起源于一个应该正好位于下地幔的地方。
南加州大学地球物理学家海蒂·休斯顿(Heidi Houston)说,一种可能性是,上地幔和下地幔之间的边界并不完全是地震学家预期的波宁地区。博宁岛附近的区域是一个俯冲带,其中一块大洋地壳正潜入一块大陆地壳之下。这种事情往往会产生翘曲效果。
“这是一个复杂的地方,我们不知道上地幔和下地幔之间的边界到底在哪里,”休斯顿告诉 Live Science。
该论文的作者认为,地壳俯冲板可能基本上已经牢固地固定在下地幔上,足以使那里的岩石承受巨大的压力,产生足够的热量和压力,导致非常不寻常的断裂。然而,伯恩利怀疑最可能的解释与矿物表现不佳有关——或者至少是奇怪的。她说,向地球中心倾斜的大陆地壳比周围的物质冷得多,这意味着该地区的矿物可能不够温暖,无法在给定的压力下完成它们应该发生的相变。
伯恩利说,钻石和石墨也是一个很好的例子。钻石在地球表面不稳定,这意味着它们不会自发形成,但当您将它们插入订婚戒指时,它们不会降解为石墨。那是因为碳原子需要一定量的能量重新排列,而在地球表面温度下,这种能量是不可用的。(除非有人用 X 射线激光照射钻石。)
伯恩利说,橄榄石的深处可能会发生类似的事情。这种矿物可能在足够的压力下转变为非脆性相,但如果它太冷——比如,因为周围有一块巨大的寒冷大陆地壳——它可能会保持橄榄石状态。这可以解释为什么地震可能起源于下地壳:它只是没有科学家们预期的那么热。
“我的一般想法是,如果材料足够冷以产生足够的压力以在地震中突然释放它,那么它也足够冷以致橄榄石卡在其橄榄石结构中,”伯恩利说。
休斯顿说,无论地震的原因是什么,都不太可能经常重复发生。世界上只有大约一半的俯冲带会发生深地震,而在这种超深地震之前的那种大地震平均每两到五年才会发生一次。
“这是非常罕见的情况,”她说。