Изучая поведение образцов мантийных пород при воздействии высоких давлений и температур, исследователи выяснили, как фазовые превращения оливина приводят к землетрясениям в переходной зоне земной мантии.
Тектоника плит и мантийная конвекция поддерживают вещество Земли в постоянном напряжении. В земной мантии температуры достаточно высоки, и минералы находятся в вязкопластичном состоянии, благодаря чему мантийная конвекция и происходит. Механические напряжения приводят к медленной и непрерывной деформации горных пород на геологических масштабах времени.
Литосфера, взаимодействие с мантией также вызывает деформацию горных пород, однако низкие температуры делают их хрупкими, а не пластичными. В результате в них накапливаются механические напряжения, которые затем приводят к обрывам – это и есть землетрясения. Основная их часть происходит на глубинах до 200 километров.
Землетрясения могут происходить и на значительно большей глубине. Глубинные землетрясения часто возникают в слоях земной коры, погрузившихся в мантию при субдукции и еще не успевших нагреться до температуры пластичности. Но самые глубокие землетрясения объяснить не удавалось: чем глубже — тем сильнее давление вышележащих горных пород препятствует распространению трещин и резким сдвигам вдоль них.
Ученые из Университета Эхиме в Японии, под руководством Томохиро Охучи) выяснили механизм глубинных землетрясений экспериментально. Для этого они подвергали образцы оливина — основного минерала мантии подвергали воздействию давления и температуры, характерных для зоны глубоких землетрясений, и дополнительно создавали раскалывающее напряжение. Исследователи отслеживали процессы, происходящие в экспериментальной камере, с помощью рентгеновской дифракции, видеографии и акустических датчиков. Результаты ученые представили в открытом доступе в журнале Nature Communications.
Область, где происходят глубинные землетрясения, расположена в переходной зоне мантии — слое глубиной приблизительно от 410 до 660 километров. В нем обычная структура оливина теряет устойчивость и сменяется более плотными модификациями высокого давления — вадслеитом на глубине до 525 километров и рингвудитом от 525 до 610 километров. Давления переходов составляют около 130 и 200 тысяч атмосфер. Еще глубже рингвудит распадается на перовскит и ферропериклаз.
Глубинные землетрясения наиболее часто возникают на глубине 600 километров, а ниже 680 километров они практически не регистрируются. Это указывает на возможную связь таких землетрясений с фазовыми переходами оливина. Для проверки этой гипотезы исследователи провели эксперименты, охватывающие условия, соответствующие фазовым переходам: давление варьировалось от 110 до 170 тысяч атмосфер, а температура – от 590 до 1080 градусов Цельсия.
При давлениях, превышающих 130 тысяч атмосфер, в оливине действительно может наблюдаться хрупкое разрушение, однако этот процесс ограничен узким температурным диапазоном от 830 до 890 градусов Цельсия. В указанном температурном интервале прочность оливина на разрушение значительно снижалась, становясь меньше порога пластической деформации, который при тех же условиях остается достаточно высоким – от 20 до 40 тысяч атмосфер.
Рентгеновская дифракция выявила, что причиной хрупкого разрушения является начало фазового перехода оливина в вадслеит. Появление зарождающихся областей новой фазы приводит к концентрации напряжений, что, в свою очередь, ускоряет фазовый переход в прилегающих областях. В оливине формируются «антитрещины», представляющие собой смесь нанокристаллического оливина и вадслеита, которые более плотные по сравнению с окружающей средой.
Движение горных пород начинается вдоль трещины, что проявляется в виде интенсивной акустической эмиссии, или треска. Высокое давление приводит к возникновению сил трения, вызывающих нагрев до 2000-2200 градусов Цельсия. В результате происходит мгновенное плавление и образование тонкого слоя расплава, который «смазывает» трещину. При температуре выше 890 градусов акустическая эмиссия полностью прекращается – раскол сменяется пластической деформацией, что позволяет объяснить значительное снижение частоты землетрясений на глубине более 680 километров.
Ранее ученые связывали глубинные землетрясения с фазовыми переходами в других минералах, погружающихся в мантию при субдукции, но описываемый эксперимент подтверждает, что источником землетрясений может являться и сам оливин. Легкое распространение трещины и свободное скольжение вдоль нее приводят к ее распространению на весь образец, а в мантии — на всю зону механического напряжения. Таким образом, масштабное высвобождение сейсмической энергии в переходной зоне мантии Земли оказалось действительно возможным.