Разрушая образцы мантийных пород при сильном давлении и температуре, учёные выяснили, как фазовые переходы оливина провоцируют землетрясения в переходной зоне земной мантии.
Тектоника плитМантийная конвекция поддерживает вещество Земли в постоянном напряжении. В земной мантии Высокие температуры приводят к вязкопластичному состоянию минералов. мантийная конвекцияМеханическое давление вызывает медленное и постоянное изменение формы горных пород в течение длительных геологических периодов.
ЛитосфераВзаимодействуя с мантией, тоже деформируется, но низкие температуры делают горные породы в ней хрупкими, а не пластичными. Накапливают механические напряжения и затем «ломаются» — так происходят землетрясения. Большая их часть локализуется на глубинах до 200 километров.
Некоторые землетрясения происходят на существенно большей глубине. Много глубоких землетрясений происходит в слоях земной коры. погрузившихся В мантию при субдукции, еще не успевшие нагреться до температуры пластичности, входят участки земной коры. Но самые глубокие землетрясения объяснить не удавалось: чем глубже, тем сильнее давление вышележащих горных пород препятствует распространению трещин и резким сдвигам вдоль них.
В исследовательской группе, возглавляемой Томохиро Охучи из японского университета Эхиме… выяснилиЭкспериментально изучали механизм глубинных землетрясений, для чего образцы оливинаИсследователи подвергли основному минералу мантии воздействию давлений и температур, свойственных зоне глубинных землетрясений, дополнительно применяя раскалывающее усилие. Происходящее в экспериментальном объёме наблюдали с помощью рентгеновской дифракции, видеографии и акустических датчиков. Результаты учёные представили. в открытом доступе в журнале Nature Communications.
Глубинные землетрясения распространены… переходной зонеМантии — слой глубиной от 410 до 660 километров. В нем обычная структура оливина теряет устойчивость и меняется на более плотные модификации высокого давления: вадслеит до глубины 525 километров, рингвудит — от 525 до 610 километров. Давления переходов составляют около 130 и 200 тысяч атмосфер. Еще глубже рингвудит распадается на перовскит и ферропериклаз.
Глубинные землетрясения чаще всего происходят на глубине 600 километров, практически исчезая ниже 680 километров, что указывает на связь с фазовыми переходами оливина. Для проверки этого предположения ученые проводили эксперименты в диапазоне условий, соответствующих фазовым переходам: при давлениях от 110 до 170 тысяч атмосфер и температурах от 590 до 1080 градусов Цельсия.
При давлении свыше 130 тысяч атмосфер хрупкая деформация оливина возможна только в диапазоне температур от 830 до 890 градусов Цельсия. Прочность оливина при этих температурах значительно снижается и оказывается ниже порога пластической деформации, который в данном случае составляет от 20 до 40 тысяч атмосфер.
Рентгеновская дифракция установила причину хрупкого разрушения: начало фазового перехода оливина в вадслеит. Возникающие островки новой фазы повышают концентрацию напряжения, что ускоряет переход фаз и в соседних областях. В оливине образуется «антитрещина», которая представляет собой смесь нанокристаллического оливина и вадслеита и отличается большей плотностью от окружающего материала.
Разрубающиеся участки породы смещаются вдоль трещины, издавая сильный шум — треск. Высокое давление вызывает трение, которое нагревает поверхность до 2000-2200 градусов Цельсия. В результате происходит моментальное плавление и «смазывание» трещины тонким слоем расплава. При температуре выше 890 градусов треск полностью исчезает — раскол сменяется пластической деформацией, что объясняет резкое уменьшение количества землетрясений глубже 680 километров.
Ранее ученые связывалиГлубинные землетрясения могут возникать из-за фазовых переходов в погружающемся оливине при субдукции. Эксперимент подтвердил, что трещины легко распространяются и скользят вдоль них, приводя к их разрастанию на весь образец и во всей зоне механического напряжения мантии. В результате высвобождение сейсмической энергии в переходной зоне мантии Земли стало возможным.