Механизм глубинных землетрясений воспроизвели в лаборатории

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 мантией, тоже деформируется, но низкие температуры делают горные породы в ней хрупкими, а не пластичными. Они накапливают механические напряжения, а затем «ломаются» — так происходят землетрясения. Большая их часть локализуется на глубинах до 200 километров.

Некоторые землетрясения случаются и на гораздо большей глубине. Многие глубинные землетрясения происходят в пластах 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.

Слева: погружение фрагмента земной коры в мантию при субдукции. Показан переход оливина в шпинелеподобные структуры на глубине 410 километров и его распад на глубине 660 километров. Справа: распределение землетрясений по глубине очага в километрах. / © https://www.researchgate.net/figure/Magnitude-left-and-depth-right-distribution-histograms-for-intermediate-depth-and_fig3_318742317

Ученые из японского Университета Эхиме во главе с Томохиро Охучи (Tomohiro Ohuchi) выяснили механизм глубинных землетрясений экспериментально. Для этого они подвергали образцы оливина — основного минерала мантии — давлениям и температурам, соответствующим зоне глубинных землетрясений, и прикладывали к ним дополнительное раскалывающее усилие. За происходившим в экспериментальном объеме исследователи следили с помощью рентгеновской дифракции, видеографии и акустических датчиков. Результаты ученые представили в открытом доступе в журнале Nature Communications.

Область распространения глубинных землетрясений находится 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.

Чаще всего глубинные землетрясения происходят на глубине 600 километров, и они практически исчезают ниже 680 километров, что предполагает их связь с фазовыми переходами оливина. Проверяя это предположение, ученые проводили эксперименты в диапазоне условий, перекрывающем фазовые переходы: при давлениях от 110 до 170 тысяч атмосфер и температурах от 590 до 1080 градусов Цельсия.

Оказалось, при давлениях более 130 тысяч атмосфер в оливине действительно возможна хрупкая деформация, но она происходит только в узком диапазоне температур от 830 до 890 градусов Цельсия. Прочность оливина на разрушение при этих температурах резко падала и оказывалась ниже порога пластической деформации, который при этих температурах еще довольно высок и составляет от 20 до 40 тысяч атмосфер.

Рентгеновская дифракция показала, что хрупкое разрушение происходит из-за начала фазового перехода оливина в вадслеит. Зарождающиеся островки новой фазы служат участками концентрации напряжения, и это «катализирует» фазовый переход в соседних участках — в оливине образуется «антитрещина», состоящая из смеси нанокристаллического оливина и вадслеита, более плотной, чем окружение.

Слева: срез экспериментальной капсулы высокого давления. Черным показаны поршни, молибденовая капсула и уплотнитель из оксида магния, красным обозначена линия раскола. Посередине: микрофотография среза с линией раскола (антитрещиной), наполненной смесью кристаллов оливина и вадслеита и окруженной оливином. Справа – вкрапления частиц железа, образовавшихся при плавлении в зоне сдвига. / ©Tomohiro Ohuchi, Ehime University

Участки породы начинают смещаться вдоль трещины, что сопровождается сильной акустической эмиссией, проще говоря — треском. Из-за высокого давления силы трения вызывают разогрев до 2000-2200 градусов Цельсия. Это приводит к моментальному плавлению и «смазыванию» трещины тонким слоем расплава. Выше 890 градусов треск полностью прекращался – раскол сменялся пластической деформацией, что объяснило резкое уменьшение количества землетрясений глубже 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.