地震究竟起源于哪里?其深度在何处?是否有新的发现?

发布日期: 2022-08-17 09:01:46来源:扑克王最新版app 作者:扑克王登录地址

  博宁群岛是被称为伊苏-博宁-马里亚纳弧的地质弧的一部分。这条弧线位于太平洋板块的俯冲带之上,而太平洋板块正缓慢地下沉到菲律宾板块之下。(图片来源: pianoman555 via Getty Images)

  科学家们已经探测到有史以来最深的地震,该地震距离地球表面467英里(751 公里)。

  这个深度位于下地幔中,而地震学家认为地震是不可能在这里发生的。这是因为在极端压力下,岩石更有可能弯曲和变形,而不是突然破裂而释放能量。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像预期的那样表现得完全一致,即使它们在应该转变为不同的、不太容易发生地震状态的压力下,也可能会停留在原来的状态。

  “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《生活科学》杂志。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。

  此次地震于6月在《地球物理研究快报》杂志上首次报道,是2015年在日本大陆附近博宁群岛7.9 级地震的一次小余震。由亚利桑那大学地震学家埃里克·基瑟领导的研究人员使用日本地震台的高网阵列探测到了这次地震。未参与这项研究的南加州大学地震学家约翰·维代尔说,该阵列是目前使用的最强大的地震探测系统。这次地震很小,在地表感觉不到,因此需要灵敏的仪器才能发现到它。

  地震的确切深度还需要得到其他研究人员的确认,维达尔告诉《生活科学》杂志,但是这个发现看起来是可靠的。“他们做得很好,所以我倾向于认为这可能是正确的,”维代尔说。

  2015年在日本附近发生的有史以来最深的地震,深入到了地球的下地幔。(图片来源:Shutterstock)

  这使得这次地震有点令人费解。绝大多数的地震都是浅源地震,发生在地表以下62英里(100公里)的地壳和上地幔内。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,当这些岩石受到压力时,它们稍微弯曲一下就会断裂,就像一个弯曲的弹簧一样释放能量。在地壳和下地幔的更深处,岩石温度更高,压力更大,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,地震就会发生。伯恩利说,在这种条件下,岩石也容易发生脆性破坏。

  这种动力学可以解释深达249英里(400公里)的地震,这些地震仍然在上地幔。但是,即使在2015年博宁余震之前,地震已经在下地幔中观测到了,深达420英里(670公里)。这些地震一直以来都很神秘,伯恩利说。岩石中含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消失了,而且我们绝对无法看到岩石发生典型的脆性行为,”她说。“这一直是一个难题。”

  地震深度超过249英里的问题与矿物在压力下的运动方式有关。地球的大部分地幔是由一种名为橄榄石的矿物质组成的,这种矿物质有光泽,呈绿色。大约在249英里深的地方,压力使橄榄石的原子重新排列成一种不同的结构,即一种蓝色的矿物质,叫做瓦茨利石。再深62英里(100公里) ,瓦茨利石又重新排列成林伍德石。最后,在地幔深处约423英里(680公里)处,林伍德石分解成两种矿物,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深的地方,但是他们可以使用实验室设备重现极端压力,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发现这些变化的迹象。

  最后的过渡标志着上地幔的结束和下地幔的开始。这些矿物相的重要性不在于它们的名称,而在于它们的性质各不相同。它类似于石墨和钻石,伯恩利说。两者都是由碳组成的,但排列方式不同。石墨是在地球表面稳定的形态,而钻石是在地幔深处稳定的形态。而且两者的表现截然不同: 石墨是柔软的、灰色的和光滑的,而钻石是非常坚硬和纯净的。随着橄榄石转变成高压阶段,它变得更有可能弯曲,更不可能破裂,从而引发地震。

  直到20世纪80年代,地质学家们才对上地幔的地震感到困惑,对于地震为什么会发生在那里至今仍未达成一致意见。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20世纪80年代的实验中,两人发现橄榄石矿物相并不是那么整洁干净。例如,在某些条件下,橄榄石可以跳过瓦茨利石相,直接转变成林伍德石。而在橄榄石到林伍德石的过渡期,在足够的压力下,这种矿物实际上会破裂而不是弯曲。

  “如果我的样本中没有发生变化,它就不会破裂,”伯恩利说。“但一旦我改变的同时又在挤压它,它就会破裂。”

  伯恩利和格林在1989年的《自然》杂志上报告了他们的发现,认为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。在地下467英里处,它的震源应该正好位于下地幔。

  一种可能性是,上地幔和下地幔之间的边界并不完全在地震学家预计的博宁地区,没有参与这项工作的南加州大学的地球物理学家海蒂·休斯顿说。博宁岛附近的地区是一个俯冲带,在那里一块大洋地壳板块沉入到大陆地壳板块之下。这种情况往往会产生曲翘的效果。

  “这是一个复杂的地方,我们不知道上地幔和下地幔之间的确切边界在哪里,”休斯顿告诉《生活科学》。

  这篇论文的作者认为,俯冲的地壳板块可能基本上已经稳固地落在下地幔上,并且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,从而导致一个及其不寻常的断裂。然而,伯恩利怀疑,最有可能的解释是这与矿物质不同寻常的表现有关,或者至少奇怪的表现。她说,向地球中心倾斜的大陆地壳比周围的物质要冷得多,这意味着该地区的矿物质温度可能不够高,无法在足够的压力下完成它们应该发生的相变。

  同样地,钻石和石墨是一个很好的例子,伯恩利说,钻石在地球表面是不稳定的,这意味着它们不会自发形成,但是当你把它们镶嵌在订婚戒指上时,它们不会变成为石墨。这是因为碳原子重新排列需要一定的能量,而在地球表面的温度下,这些能量是不足够的。(除非有人用X射线激光照射钻石。)

  同样的事情也可能发生在橄榄石的身上,伯恩利说。这种矿物可能处于足够的压力之下才转变为非脆性相,但是如果太冷——比如说,由于周围有一个巨大的冰冷的大陆地壳——它可能保持橄榄石的状态。这可以解释为什么地震可能起源于下地壳: 那里的温度并不像科学家预期的那样高。

  “我的一般想法是,如果物质足够冷,以产生足够的压力从而在地震中突然释放,那么这个温度也足够使橄榄石维持其结构,”伯恩利说。

  休斯顿说,不管地震的原因是什么,这种情况都不太可能经常发生。世界上只有大约一半的俯冲带会发生深地震,而在这次超深地震之前发生的那种大地震平均每两到五年才会发生一次。

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