«Тонга — такое экстремальное место, и это делает его очень показательным», — сказал С. Шон Вей, сейсмолог, получивший докторскую степень в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, а теперь доктор наук в Океанографическом институте Скриппса в Сан-Диего. .Этот рой землетрясений — кошачья мята для сейсмологов, потому что они до сих пор не понимают, что вызывает землетрясения на таких больших глубинах.Ниже 40 миль из-за огромной жары и давления внутри Земли скалы должны оставаться мягкими и податливыми, склонными скорее сочиться, чем трескаться. Поэтому землетрясение на глубине должно быть похоже на разрушение патоки.В выпуске журнала Science Advances от 11 января группа сейсмологов из Вашингтонского университета, Института океанографии Скриппса и Института науки Карнеги анализирует данные о 671 землетрясении, которое произошло на глубине от 30 до 280 миль под поверхностью Земли на Тихоокеанской плите, когда она спускалась. в желоб Тонги.
Анализируя данные нескольких сейсморазведочных работ с помощью океанских донных сейсмометров и островных сейсмических станций, они были удивлены, обнаружив на опускающейся плите зону интенсивной землетрясения, которую они назвали сейсмическим поясом.
Картина активности вдоль плиты убедительно свидетельствует о том, что землетрясения вызваны выбросом воды на глубине.«Похоже, что сейсмический пояс образован внезапным смывом воды, когда плита нагревается настолько, что гидратированные минералы могут разлагаться и выделять воду», — сказал Дуг Винс, заслуженный профессор наук о Земле и планетах Роберта С. Брукингса. в искусстве Наук в Вашингтонском университете.
«Давление жидкости вызывает землетрясения точно так же, как сточные воды, закачиваемые в глубокие скважины, вызывают их в Оклахоме», — сказал Винс. «Хотя детали сильно различаются, когда это много миль вниз, это тот же физический процесс».Зона субдукции чемпионаЖелоб Тонги занимает почетное место в анналах сейсмологии, потому что именно здесь американские ученые, приглашенные королем Тонги для исследования бурлящей земли, впервые получили четкое представление о зоне субдукции в действии.
Классическая статья, опубликованная учеными Брайаном Исаксом, Джеком Оливером и Линн Сайкс в 1968 году, привела к принятию тогдашней спекулятивной теории тектоники плит.
В 1985 году японский сейсмолог Хитоши Кавакацу обнаружил в Тонге еще кое-что интересное: нисходящая плита имеет двойную сейсмическую зону. «В плите есть две зоны землетрясений», — сказал Винс. «Один находится в верхней части плиты, а другой — ближе к середине».Винс, который изучает зону субдукции Тонга с начала 1990-х годов, говорит, что это отличная естественная лаборатория, потому что ее характеристики настолько экстремальны. Дно океана при погружении там старше и холоднее, чем у большинства других погружающихся плит. Он также движется очень быстро.
«В северной части желоба Тонга плита перемещается на 9 дюймов в год», — сказал Винс. «Для сравнения, разлом Сан-Андреас перемещается на 2 дюйма в год».И у погружающейся плиты есть еще одна полезная особенность. Он не спускается в траншею с одинаковой скоростью, а вместо этого спускается намного быстрее в северном конце траншеи, чем в южном конце.Это означает, что плита нагревается с разной скоростью по длине. «Это все равно, что затолкать кусок холодного шоколада в кипящую кастрюлю с пудингом», — сказал Винс. «Если вы толкаете медленно, у шоколада есть шанс нагреться и растопить, но если вы толкнете быстро, шоколад останется холодным дольше».
Это идеальная установка для изучения температурно-зависимых явлений.СюрпризКогда Вэй проанализировал данные с Тонги, он увидел двойную сейсмическую зону, открытую японским ученым. «Мы в значительной степени продолжим работу над этой статьей 1985 года», — сказал он.«Однако там, где на Тонге начала разрушаться двойная сейсмическая зона, мы увидели действительно активную зону землетрясений, которую мы назвали сейсмическим поясом», — сказал Винс. «Это был сюрприз; мы этого не ожидали».
Почему произошла внезапная вспышка землетрясений при падении плиты? Ключом к разгадке было то, что взрыв шел под углом вверх с севера на юг вдоль плиты. Чем быстрее двигалась плита, тем глубже землетрясения, а чем медленнее плита, тем мельче землетрясения.
Угловой сейсмический пояс показал ученым, что механизм, вызывающий землетрясения, чувствителен к температуре. «Мы думаем, что землетрясения происходят, когда мантия в опускающейся плите становится достаточно горячей, чтобы выпустить из нее воду», — сказал Винс.«Люди предлагали этот механизм и раньше, но это дымящийся пистолет», — продолжил Винс. «Сейсмичность меняет глубину таким образом, что это коррелирует со скоростью субдукции и температурой плиты».Глубоководный круговорот
Но откуда берется вода и почему она внезапно выходит?По словам Вэй, внутренняя часть Тихоокеанской плиты подвергается воздействию морской воды, поскольку плита подтягивается под плиту Тонга и на ее верхней поверхности открываются разломы.
Морская вода вступает в реакцию с горными породами, образуя водные минералы (минералы, которые включают воду в свою кристаллическую структуру) в семействе змеевиков. Самый распространенный из этих серпентиновых минералов — это зеленый камень, называемый антигоритом.
Но по мере того, как плита опускается, а температура и давление повышаются, эти водные минералы становятся нестабильными и разрушаются в результате реакций дегидратации, сказал Вэй.Этот внезапный выброс большого количества воды является причиной землетрясений.«Температура, которую мы прогнозируем в местах землетрясения, убедительно свидетельствует о том, что минералы дегидратируются очень глубоко в зоне субдукции Тонга, — сказал Питер ван Кекен, научный сотрудник Института Карнеги и соавтор статьи.
«Фазовые диаграммы» реакций дегидратации антигорита точно совпадают с давлением и температурой плиты в сейсмическом поясе.Но фазовые диаграммы не так надежны при таких экстремальных температурах и глубинах. Итак, Вэй, например, хотел бы получить больше лабораторных данных о поведении антигорита и других водных минералов при высокой температуре и давлении, чтобы закрепить механизм.
Для него самая захватывающая часть исследования — это свидетельство наличия воды на глубине 180 миль под поверхностью. «В настоящее время мы не знаем, сколько воды попадает на глубину Земли или насколько глубоко она может, наконец, достичь», — сказал Вэй. «Другими словами, мы не знаем, сколько воды хранится в мантии, что является ключевым фактором для водного баланса Земли».Вода там может быть для нас не менее важна, чем вода здесь. Начинает казаться, что вода — это смазка, которая смазывает машину, перерабатывающую земную кору.
«Набор данных Тонга — это такой большой сундук с сокровищами, который мы будем использовать в течение многих лет», — сказал Вэй. «Тонга может рассказать нам еще много историй о недрах Земли».
