曾經(jīng)所探測到的最深地震應(yīng)該是不存在的

在地幔深處巖石發(fā)生了什么變化？

這次地震發(fā)生在下地幔，比以前的地震要深得多。

博寧群島是被稱為伊蘇-博寧-馬里亞納弧的地質(zhì)弧的一部分。這條弧線位于太平洋板塊的俯沖帶之上，而太平洋板塊正緩慢地下沉到菲律賓板塊之下。(圖片來源: pianoman555 via Getty Images)

科學(xué)家們已經(jīng)探測到有史以來最深的地震，該地震距離地球表面467英里（751 公里）。

這個深度位于下地幔中，而地震學(xué)家認為地震是不可能在這里發(fā)生的。這是因為在極端壓力下，巖石更有可能彎曲和變形，而不是突然破裂而釋放能量。但并未參與這項研究的內(nèi)華達大學(xué)拉斯維加斯分校地質(zhì)材料教授帕梅拉伯恩利說，礦物的行為并不總是像預(yù)期的那樣表現(xiàn)得完全一致，即使它們在應(yīng)該轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌?、不太容易發(fā)生地震狀態(tài)的壓力下，也可能會停留在原來的狀態(tài)。

“僅僅因為他們應(yīng)該改變，并不意味著他們會改變,”伯恩利告訴《生活科學(xué)》雜志。那么，地震可能揭示的是，地球內(nèi)部的邊界比人們通常認為的要模糊。

跨越邊界

此次地震于6月在《地球物理研究快報》雜志上首次報道，是2015年在日本大陸附近博寧群島7.9 級地震的一次小余震。由亞利桑那大學(xué)地震學(xué)家埃里克·基瑟領(lǐng)導(dǎo)的研究人員使用日本地震臺的高網(wǎng)陣列探測到了這次地震。未參與這項研究的南加州大學(xué)地震學(xué)家約翰·維代爾說，該陣列是目前使用的最強大的地震探測系統(tǒng)。這次地震很小，在地表感覺不到，因此需要靈敏的儀器才能發(fā)現(xiàn)到它。

地震的確切深度還需要得到其他研究人員的確認，維達爾告訴《生活科學(xué)》雜志，但是這個發(fā)現(xiàn)看起來是可靠的。“他們做得很好，所以我傾向于認為這可能是正確的,”維代爾說。

2015年在日本附近發(fā)生的有史以來最深的地震，深入到了地球的下地幔。（圖片來源：Shutterstock）

這使得這次地震有點令人費解。絕大多數(shù)的地震都是淺源地震，發(fā)生在地表以下62英里(100公里)的地殼和上地幔內(nèi)。在平均僅向下延伸約 12 英里（20 公里）的地殼中，巖石又冷又脆。伯恩利說，當這些巖石受到壓力時，它們稍微彎曲一下就會斷裂，就像一個彎曲的彈簧一樣釋放能量。在地殼和下地幔的更深處，巖石溫度更高，壓力更大，這使得它們更不容易破裂。但是在這個深度，當高壓推動巖石中充滿流體的孔隙，迫使流體流出時，地震就會發(fā)生。伯恩利說，在這種條件下，巖石也容易發(fā)生脆性破壞。

這種動力學(xué)可以解釋深達249英里(400公里)的地震，這些地震仍然在上地幔。但是，即使在2015年博寧余震之前，地震已經(jīng)在下地幔中觀測到了，深達420英里(670公里)。這些地震一直以來都很神秘，伯恩利說。巖石中含水的孔隙已被擠壓關(guān)閉，因此流體不再是觸發(fā)因素。

“在那個深度，我們認為所有的水都應(yīng)該消失了，而且我們絕對無法看到巖石發(fā)生典型的脆性行為，”她說。“這一直是一個難題?！?/p>

改變礦物質(zhì)

地震深度超過249英里的問題與礦物在壓力下的運動方式有關(guān)。地球的大部分地幔是由一種名為橄欖石的礦物質(zhì)組成的，這種礦物質(zhì)有光澤，呈綠色。大約在249英里深的地方，壓力使橄欖石的原子重新排列成一種不同的結(jié)構(gòu)，即一種藍色的礦物質(zhì)，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，在地幔深處約423英里(680公里)處，林伍德石分解成兩種礦物，布里奇曼石和方鎂石。當然，地球科學(xué)家不能直接探測地球那么深的地方，但是他們可以使用實驗室設(shè)備重現(xiàn)極端壓力，并在地表產(chǎn)生這些變化。由于地震波在不同礦物相的移動方式不同，地球物理學(xué)家可以通過觀察大地震引起的振動來發(fā)現(xiàn)這些變化的跡象。

最后的過渡標志著上地幔的結(jié)束和下地幔的開始。這些礦物相的重要性不在于它們的名稱，而在于它們的性質(zhì)各不相同。它類似于石墨和鉆石，伯恩利說。兩者都是由碳組成的，但排列方式不同。石墨是在地球表面穩(wěn)定的形態(tài)，而鉆石是在地幔深處穩(wěn)定的形態(tài)。而且兩者的表現(xiàn)截然不同: 石墨是柔軟的、灰色的和光滑的，而鉆石是非常堅硬和純凈的。隨著橄欖石轉(zhuǎn)變成高壓階段，它變得更有可能彎曲，更不可能破裂，從而引發(fā)地震。

直到20世紀80年代，地質(zhì)學(xué)家們才對上地幔的地震感到困惑，對于地震為什么會發(fā)生在那里至今仍未達成一致意見。伯恩利和她的博士生導(dǎo)師---- 礦物學(xué)家 哈里·格林提出了一個可能的解釋。在20世紀80年代的實驗中，兩人發(fā)現(xiàn)橄欖石礦物相并不是那么整潔干凈。例如，在某些條件下，橄欖石可以跳過瓦茨利石相，直接轉(zhuǎn)變成林伍德石。而在橄欖石到林伍德石的過渡期，在足夠的壓力下，這種礦物實際上會破裂而不是彎曲。

“如果我的樣本中沒有發(fā)生變化，它就不會破裂,”伯恩利說?！暗坏┪腋淖兊耐瑫r又在擠壓它，它就會破裂?！?/p>

伯恩利和格林在1989年的《自然》雜志上報告了他們的發(fā)現(xiàn)，認為過渡帶的這種壓力可以解釋249英里以下的地震。

地球的大部分地幔是由橄欖石礦物組成的。（圖片來源：underworld111/Getty Images）

走向更深處

然而，新的博寧地震比這個過渡帶更深。在地下467英里處，它的震源應(yīng)該正好位于下地幔。

一種可能性是，上地幔和下地幔之間的邊界并不完全在地震學(xué)家預(yù)計的博寧地區(qū)，沒有參與這項工作的南加州大學(xué)的地球物理學(xué)家海蒂·休斯頓說。博寧島附近的地區(qū)是一個俯沖帶，在那里一塊大洋地殼板塊沉入到大陸地殼板塊之下。這種情況往往會產(chǎn)生曲翹的效果。

“這是一個復(fù)雜的地方，我們不知道上地幔和下地幔之間的確切邊界在哪里，”休斯頓告訴《生活科學(xué)》。

這篇論文的作者認為，俯沖的地殼板塊可能基本上已經(jīng)穩(wěn)固地落在下地幔上，并且足以使那里的巖石承受巨大的壓力，產(chǎn)生足夠的熱量和壓力，從而導(dǎo)致一個及其不尋常的斷裂。然而，伯恩利懷疑，最有可能的解釋是這與礦物質(zhì)不同尋常的表現(xiàn)有關(guān)，或者至少奇怪的表現(xiàn)。她說，向地球中心傾斜的大陸地殼比周圍的物質(zhì)要冷得多，這意味著該地區(qū)的礦物質(zhì)溫度可能不夠高，無法在足夠的壓力下完成它們應(yīng)該發(fā)生的相變。

同樣地，鉆石和石墨是一個很好的例子，伯恩利說，鉆石在地球表面是不穩(wěn)定的，這意味著它們不會自發(fā)形成，但是當你把它們鑲嵌在訂婚戒指上時，它們不會變成為石墨。這是因為碳原子重新排列需要一定的能量，而在地球表面的溫度下，這些能量是不足夠的。(除非有人用X射線激光照射鉆石。)

同樣的事情也可能發(fā)生在橄欖石的身上，伯恩利說。這種礦物可能處于足夠的壓力之下才轉(zhuǎn)變?yōu)榉谴嘈韵?，但是如果太冷——比如說，由于周圍有一個巨大的冰冷的大陸地殼——它可能保持橄欖石的狀態(tài)。這可以解釋為什么地震可能起源于下地殼: 那里的溫度并不像科學(xué)家預(yù)期的那樣高。

“我的一般想法是，如果物質(zhì)足夠冷，以產(chǎn)生足夠的壓力從而在地震中突然釋放，那么這個溫度也足夠使橄欖石維持其結(jié)構(gòu)，”伯恩利說。

休斯頓說，不管地震的原因是什么，這種情況都不太可能經(jīng)常發(fā)生。世界上只有大約一半的俯沖帶會發(fā)生深地震，而在這次超深地震之前發(fā)生的那種大地震平均每兩到五年才會發(fā)生一次。

“這是非常罕見的情況，”她說。

BY:Stephanie Pappas

FY:藍多多

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