В лабораторных условиях смоделировали процесс возникновения глубокофокусных сейсмических явлений

Новости МирТесен

Исследуя поведение горных пород мантии при экстремальном давлении и нагреве, исследователи выяснили, каким образом изменения в структуре оливина провоцируют сейсмические события в переходной зоне земного покрова.

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, взаимодействуя с окружающей средой, также претерпевает изменения формы, однако более низкие температурные показатели делают горные породы внутри нее хрупкими, а не податливыми. Они аккумулируют механические усилия и впоследствии разрушаются – именно так возникают землетрясения. Значительная их часть фиксируется на глубинах до 200 километров.

Землетрясения также могут возникать на значительно больших глубинах. Значительная часть глубоководных толчков регистрируется 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 оливинаферроперита – ключевого компонента мантии Земли – воздействию экстремальных давлений и температур, имитирующих условия возникновения глубокофокусных землетрясений. В процессе испытания на образцы оказывалось дополнительное напряжение для моделирования раскола. Процесс наблюдали с использованием рентгеноструктурного анализа, видеосъемки и акустического оборудования. Полученные данные были опубликованы в открытом доступе в журнале Nature Communications.

Зона проявления глубокофокусных землетрясений располагается 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.

Выяснилось, что под воздействием давления свыше 130 килоатмосфер в оливине может возникать процесс разрушения, характеризующийся хрупкостью. Однако такое поведение наблюдается лишь при определенных температурных условиях – от 830 до 890 градусов Цельсия. В указанном диапазоне температур сопротивляемость этого минерала к растрескиванию значительно снижалась и становилась меньше предела, определяющего способность материала к пластической деформации, который в свою очередь оставался 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.

Элементы горных пород начинают перемещаться вдоль плоскости разлома, что сопровождается интенсивными звуковыми колебаниями, то есть характерным щелчком. Из-за значительного давления силы трения приводят к нагреву до температур в диапазоне от 2000 до 2200 градусов Цельсия. Это вызывает немедленное плавление и «смазывание» разлома тонким слоем расплавленной субстанции. При превышении температуры 890 градусов щелчки полностью прекращаются – вместо раскола возникает пластическая деформация, что объясняет заметное снижение частоты землетрясений на глубинах более чем 680 километров.

Ранее ученые связывалиВстречаются глубокофокусные толчки с фазовыми изменениями в других минералах, погружающихся в мантию при субдукции. Однако данный эксперимент доказывает возможность того, что источником сейсмических явлений может быть и сам оливин. Незначительное расширение трещины и свободное скольжение по ней приводят к ее распространению на всю структуру образца, а в условиях мантии – на обширную область механического напряжения. Таким образом, высвобождение значительного объема сейсмической энергии в переходной зоне мантии Земли представляется вполне реальным.