Вода вызывает самые загадочные землетрясения в глубинах Земли

Причина самых глубоких землетрясений Земли оставалась загадкой для науки более века, но группа ученых из Карнеги, возможно, раскрыла ее.

Новое исследование, опубликованное в журнале AGU Advances, доказывает, что жидкости играют ключевую роль в эпицентрах землетрясений, которые происходят на глубине от 300 до 700 километров под поверхностью планеты. В исследовательскую группу входят ученые Карнеги Стивен Шири, Лара Вагнер, Питер ван Кекен и Майкл Уолтер, а также Грэм Пирсон из Университета Альберты.

Большинство землетрясений происходит вблизи поверхности Земли, на глубине около 70 километров. Они происходят, когда напряжение накапливается в трещине между двумя блоками горных пород - так называемом разломе, - что приводит к их внезапному скольжению друг мимо друга.

Однако глубже в Земле интенсивное давление создает слишком большое трение, чтобы такое скольжение могло произойти, а высокие температуры повышают способность пород деформироваться, чтобы приспособиться к изменяющимся напряжениям. Несмотря на то что теоретически это невозможно, ученые смогли определить землетрясения, происходящие на глубине более 300 километров под поверхностью Земли, начиная с 1920-х годов.

"Большая проблема, с которой столкнулись сейсмологи, заключается в том, как вообще возможно существование этих глубоких землетрясений", - говорит Вагнер. "Как только вы опускаетесь на несколько десятков километров вниз, становится невероятно трудно объяснить, как мы получаем скольжение по разлому, когда трение так невероятно велико".

Текущая работа в течение последних нескольких десятилетий показала нам, что вода играет роль в землетрясениях средней глубины - тех, которые происходят на глубине от 70 до 300 километров под поверхностью Земли. В этих случаях вода высвобождается из минералов, что ослабляет породу вокруг разлома и позволяет блокам породы соскальзывать. Однако ученые не считали, что это явление может объяснить сверхглубокие землетрясения, в основном потому, что считалось, что вода и другие соединения, создающие жидкость, не могут проникнуть достаточно далеко в недра Земли, чтобы обеспечить подобный эффект.

Это мнение впервые изменилось, когда Шири и Вагнер сравнили глубину залегания редких глубоководных земных алмазов с загадочными сверхглубокими землетрясениями.

"Алмазы образуются в жидкостях, - объяснил Ширей, - если там есть алмазы, значит, там есть и жидкости".

Алмазы сами по себе указывают на присутствие жидкостей, однако они также выносят образцы глубоководных земных пород на поверхность, чтобы ученые могли их изучить. Когда алмазы образуются в недрах Земли, они иногда захватывают кусочки минералов из окружающей породы. Эти минералы называются включениями, и они могут сделать ваши украшения менее дорогими, но они бесценны для ученых Земли. Это один из единственных способов, с помощью которого ученые могут изучать прямые образцы глубоких недр нашей планеты.

Включения в алмазе имели отчетливую химическую подпись аналогичных материалов, найденных в океанической коре. Это означает, что вода и другие материалы не были каким-то образом созданы глубоко в недрах Земли. Вместо этого они были перенесены вниз как часть опускающейся океанической плиты.

Вагнер сказал: "Сейсмологическое сообщество отошло от идеи, что вода может находиться так глубоко. Но алмазные петрологи, такие как Стив, показывали нам образцы и говорили: "Нет, нет, нет. Здесь внизу точно есть вода", и тогда нам всем пришлось объединиться, чтобы выяснить, как она туда попала".

Чтобы проверить эту идею, Вагнер и ван Кекен построили передовые вычислительные модели для имитации температур тонущих плит на гораздо большей глубине, чем это пытались сделать ранее. В дополнение к моделированию Уолтер изучил устойчивость водосодержащих минералов, чтобы показать, что в условиях сильного тепла и давления в глубоких недрах Земли они действительно способны удерживать воду в определенных условиях. Команда показала, что даже если более теплые плиты не удерживают воду, минералы в более холодных океанических плитах теоретически могут переносить воду на глубину, которую мы связываем со сверхглубокими землетрясениями.

Для закрепления результатов исследования команда сравнила результаты моделирования с реальными сейсмологическими данными. Они смогли показать, что плиты, которые теоретически могут переносить воду на такие глубины, также испытывают ранее необъяснимые глубинные землетрясения.

Это исследование необычно тем, что в нем четыре различные дисциплины - геохимия, сейсмология, геодинамика и петрология - рассматривают один и тот же вопрос, и все они указывают на один и тот же вывод: вода и другие жидкости являются ключевым компонентом сверхглубоких землетрясений.

"Природа глубинных землетрясений - один из главных вопросов в геонауке", - говорит Шири. "Нам нужно было объединить все эти четыре различные дисциплины, чтобы привести аргументы. Оказалось, что у нас в Карнеги все это есть".