Зоны субдукции — одни из самых сейсмически активных областей на Земле. Землетрясения в этих точках, которые происходят близко к поверхности, могут быть разрушительными, как то, что произошло в Японии в 2011 году, вызвав ядерную катастрофу на Фукусиме.
Но землетрясения также часто происходят в субдуцирующей коре, поскольку она проталкивается глубоко под поверхность — на глубине от 70 до 300 километров. Эти землетрясения, известные как землетрясения средней глубины, обычно менее разрушительны, но все же могут сотрясать здания.
Землетрясения средней глубины долгое время были загадкой для геологов.«Они загадочны, потому что давление настолько велико на этой глубине, что нормальный процесс скольжения при трении, связанный с землетрясениями, подавлен», — сказал Грег Хирт, профессор наук о Земле, окружающей среде и планетах в Браун. «Сил, необходимых для того, чтобы заставить вещи скользить, просто нет».Но с помощью серии лабораторных экспериментов Хирт и постдокторский исследователь Кейши Окадзаки показали, что по мере того, как вода выходит из минерала, называемого лавсонитом, при высоких температурах и давлениях, этот минерал становится склонным к хрупкому разрушению, необходимому для возникновения землетрясения.
«Эксперименты Кейши были в основном первыми испытаниями в условиях, подходящих для того места, где на самом деле происходят землетрясения», — сказал Хирт. «Они действительно первые, кто представил убедительные доказательства этого хрупкого обезвоживания».Работа будет опубликована 4 февраля 2016 года в журнале Nature.
Эксперименты проводились в так называемом аппарате Григга. Окадзаки поместил образцы лавсонита в цилиндр и нагрел его в диапазоне температур, при котором вода становится нестабильной в лавсоните при высоких давлениях.
Затем поршень увеличивал давление до тех пор, пока минерал не начал деформироваться. Крошечный сейсмометр, прикрепленный к прибору, обнаружил внезапное растрескивание в лавсоните, сигнал, соответствующий хрупкому разрушению.
Окадзаки провел аналогичные эксперименты с использованием другого минерала, антигорита, который, как ранее предполагалось, вносит вклад в сейсмичность на средних глубинах. В отличие от лавсонита, антигорит разрушался более постепенно — сдавливание, а не растрескивание, что позволяет предположить, что антигорит не играет роли в этих землетрясениях.
«Это одна из крутых вещей в этом», — сказал Хирт. «В течение 50 лет все предполагали, что это процесс, связанный с антигоритом, несмотря на то, что не было много доказательств этого. Теперь у нас есть хорошие экспериментальные доказательства этого процесса обезвоживания с участием лавсонита».Если лавсонит действительно вызывает землетрясения средней глубины, это объясняет, почему такие землетрясения обычны в одних зонах субдукции, а не в других.
Для образования лавсонита требуются высокие давления и низкие температуры. Он находится в так называемых «холодных» зонах субдукции, в которых поглощающая кора более старая и, следовательно, более холодная по температуре.
Одна такая холодная зона находится на северо-западе Японии. Но условия в «горячих» зонах субдукции, таких как зона субдукции Каскадия у побережья штата Вашингтон, не способствуют образованию лавсонита.«В зонах горячей субдукции у нас очень мало землетрясений в субдуцирующей коре, потому что у нас нет лавсонита», — сказал Окадзаки. «Но в зонах холодной субдукции у нас есть лавсонит, и мы получаем эти землетрясения».В конечном итоге, по словам Хирта, подобные исследования могут помочь ученым лучше понять, почему землетрясения происходят в разных местах и в разных условиях.
«Попытка включить в контекст всех землетрясений то, как эти процессы работают, может быть важна не только для понимания этих странных типов землетрясений, но и всех землетрясений», — сказал он. «Мы не очень хорошо понимаем цикл землетрясений. Предсказуемость — конечная цель, но мы все еще находимся на стадии размышлений о том, каковы рецепты различных типов землетрясений.
Это, кажется, один из тех рецептов».