科学家探测到有史以来最深的地震。

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地震主要发生在地壳或上地幔。但近日发表在《地球物理研究通讯》期刊上的一篇论文称,2015年科学家在小笠原群岛探测到的地震发生在地幔下部,震源深度达到破纪录的751公里,这让研究人员感到困惑。

地震通常发生在地壳和地幔的上部,震源深度大多不超过100公里。地壳平均厚度只有20公里,主要成分是凝固的岩石,结构脆弱,受压后极易破碎。并且随着深度的增加,地壳下部和地幔上部的岩石承受着越来越大的压力和温度。这使得岩石越来越不容易破裂。但高压有时会迫使流体从岩石的孔隙中流出,使其变脆并容易折断。许多震源深度小于400公里的地震都是这样产生的。但如果震源深度超过400公里,这个机制就逐渐不适用了。超过这个深度,岩石中不再有可以容纳水的孔隙,因此地震不再由流体引发。

主流观点认为,震源深度超过400公里的地震成因可能与矿物在压力下的形态转变有关。地球的大部分地幔由绿色橄榄石组成。在地下400多公里深处,橄榄石中的原子会因压力而重新结合,变成蓝色的“华氏石”;深入500多公里后,“华氏石”就会变成“林伍德石”;在680多公里的深度,“灵伍德石”将变成“布里奇曼特石”和“方长石”。最后的转变形成了上地幔和下地幔之间的分界线。

我们可以把这些不同的矿物想象成不同形态的橄榄石。就像石墨和金刚石,虽然它们的性质截然不同,但它们实际上是同一种东西:碳。橄榄石在越来越大的压力下变得越来越可弯曲,并且不太可能破裂,从而越来越难以引发地震。

80年代的科学实验表明,橄榄石的不同矿物形态之间的界限有时并不那么明确。有时它会跳过某个阶段,直接“越级”进入下一个矿物形态。例如,它有时会直接从橄榄石转换为林伍德石,而不是先转换为瓦斯利石,然后再转换为林伍德石。如果我们在这种“蛙跳”转变过程中对它施加足够的压力,它就无法保持连续弯曲的能力,就会变得很容易折断。

这个机制可以用来解释震源深度大于400公里的地震。但如果深度达到751公里,情况就不一样了。到达这个深度之后,我们其实已经来到了地幔的下部,也就是所谓的下地幔。如果我们再往下走,越过下地幔,我们将能够接触到液态外核。

在这么深的地方发生地震真是不可思议。研究人员认为,上地幔和下地幔之间的边界有可能位于小笠原群岛下方与其他地方不同的深度。由于小笠原群岛位于板块交界处,海洋板块在这里俯冲到大陆板块下方,可能导致地球内部结构发生一定程度的扭曲。

研究人员认为,这里的地壳板块可能已经俯冲到下地幔中,大量的地壳岩石承受着巨大的压力。在这种异常环境下,岩石可能会发生异常断裂。

也有科学家认为,造成这种地震的原因可能与矿物在转化过程中遇到的异常情况有关。向地球中心俯冲的地壳温度远低于其周围环境。这意味着在某些地方,矿物承受的压力足够大,但温度不够高,无法完成它通常在其他地方进行的转变。< titlesplit >

在足够的压力下,橄榄石可以转变为脆性较小的形式。但如果由于俯冲板块温度低导致环境温度不够高,则无法完成这种转变。这就是地震通常发生在地壳下部的原因:因为那里不够热。
不管是什么原因,这样的地震确实是非常罕见的。世界上只有大约一半的板块俯冲带存在深地震,而这种超深地震平均每两到五年才有机会发生。
参考
2015Mw7.9BoninIslandsDeep-Focus地震之后的下地幔地震活动
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2021GL093111