Тонга - рай для сейсмологов, и не только из-за пляжей с белым песком. В зоне субдукции у восточного побережья архипелага происходит больше землетрясений средней и глубокой глубины, чем в любой другой зоне субдукции, где одна плита земной литосферы погружается под другую, на планете.
«Тонга - такое экстремальное место, и это делает его очень показательным», - сказал С. Шон Вей, сейсмолог, который получил докторскую степень в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, а сейчас является постдокторантом в Институте Скриппса. океанографии в Сан-Диего.
Этот рой землетрясений - кошачья мята для сейсмологов, потому что они до сих пор не понимают, что вызывает землетрясения на такой большой глубине.
На глубине менее 40 миль огромная жара и давление в недрах Земли должны поддерживать мягкость и податливость горных пород, более склонных к просачиванию, чем к разрушению. Таким образом, вызвать землетрясение на глубине должно быть все равно, что разбить патоку.
В выпуске журнала Science Advances от 11 января группа сейсмологов из Вашингтонского университета, Океанографического института Скриппса и Научного института Карнеги анализирует данные 671 землетрясения, которые произошли на глубине от 30 до 280 миль под поверхностью Земли в Тихоокеанская плита во время спуска в желоб Тонга.
Анализируя данные нескольких сейсмических исследований с использованием как донных сейсмометров, так и островных сейсмических станций, они были удивлены, обнаружив зону интенсивной сейсмической активности в опускающейся плите, которую они назвали сейсмическим поясом.
Картина активности вдоль плиты предоставила убедительные доказательства того, что землетрясения вызваны выбросом воды на глубине.
«Похоже, что сейсмический пояс образуется внезапным выбросом воды, когда плита нагревается настолько, что гидратированные минералы могут разлагаться и выделять воду», - сказал Дуг Винс, заслуженный профессор Роберта С. Брукингса. наук о Земле и планетах в области искусств и наук Вашингтонского университета.
«Давление жидкости вызывает землетрясения так же, как сточные воды, закачиваемые в глубокие колодцы, вызывают их в Оклахоме», - сказал Винс. «Хотя детали сильно различаются, когда это много миль вниз, это один и тот же физический процесс».
Чемпионская зона субдукции
Желоб Тонга занимает почетное место в анналах сейсмологии, потому что именно здесь американские ученые, приглашенные королем Тонги для исследования ворчащей земли, получили свое первое ясное представление о зоне субдукции в действии.
Классическая статья, которую ученые Брайан Айсакс, Джек Оливер и Линн Сайкс опубликовали в 1968 году, привела к принятию тогдашней спекулятивной теории тектоники плит.
В 1985 году японский сейсмолог Хитоси Кавакацу обнаружил на Тонге еще кое-что интересное: опускающаяся плита имеет двойную сейсмическую зону. «В плите есть две зоны землетрясений, - сказал Винс. «Один находится в верхней части плиты, а другой ближе к середине плиты».
Винс, изучающий зону субдукции Тонга с начала 1990-х годов, говорит, что это отличная природная лаборатория, потому что ее характеристики настолько экстремальны. Океанское дно, на которое ныряют, старше и холоднее, чем большинство других погружающихся плит. Он также движется очень быстро.
«В северной части желоба Тонга плита перемещается на 9 дюймов в год», - сказал Винс. «Разлом Сан-Андреас, для сравнения, смещается на 2 дюйма в год».
И у погружающейся плиты есть еще одна полезная особенность. Он не спускается в траншею с одинаковой скоростью, а спускается намного быстрее на северном конце траншеи, чем на южном конце.
Это означает, что плита прогревается с разной скоростью по своей длине. «Это все равно, что положить холодную плитку шоколада в кипящую кастрюлю с пудингом», - сказал Винс. «Если нажимать медленно, шоколад может нагреться и растаять, но если нажимать быстро, шоколад дольше остается холодным».
Это идеальная установка для изучения явления, зависящего от температуры.
Сюрприз
Когда Вэй анализировал данные из Тонги, он увидел двойную сейсмическую зону, обнаруженную японским ученым. «Мы в значительной степени продолжаем работу над статьей 1985 года», - сказал он.
«Однако там, где в Тонге начала разрушаться двойная сейсмическая зона, мы увидели действительно активную сейсмическую зону, которую назвали сейсмическим поясом», - сказал Винс. «Это был сюрприз, мы не ожидали».
Почему внезапный взрыв землетрясений, когда плита опустилась? Яркой подсказкой было то, что взрыв пошел под углом вверх с севера на юг вдоль плиты. Чем быстрее двигалась плита, тем глубже были землетрясения, и чем медленнее плита, тем мельче землетрясения.
Наклонный сейсмический пояс сообщил ученым, что механизм, вызывающий землетрясения, чувствителен к температуре. «Мы думаем, что землетрясения происходят, когда мантия опускающейся плиты становится достаточно горячей, чтобы высвободить из нее воду», - сказал Винс.
«Люди уже предлагали этот механизм, но это неопровержимое доказательство», - продолжил Винс. «Сейсмичность меняет глубину таким образом, что это коррелирует со скоростью субдукции и температурой плиты».
Глубоководный цикл
Но откуда берется вода и почему она высвобождается внезапно?
Внутренняя часть Тихоокеанской плиты подвергается воздействию морской воды, поскольку плита подтягивается под плиту Тонга, и на ее верхней поверхности открываются разломы, сказал Вэй. Морская вода вступает в реакцию с горной породой, образуя гидросодержащие минералы (минералы, кристаллическая структура которых включает воду) из семейства змеевиков. Наиболее распространенным из этих змеевидных минералов является зеленый камень, называемый антигоритом.
Но по мере того, как плита опускается, а температура и давление повышаются, эти водосодержащие минералы становятся нестабильными и разрушаются в результате реакций дегидратации, сказал Вэй.
Внезапный выброс большого количества воды вызывает землетрясения.
«Температура, которую мы прогнозируем в местах землетрясений, убедительно свидетельствует о том, что минералы обезвоживаются очень глубоко в зоне субдукции Тонга», - сказал Питер ван Кекен, научный сотрудник Института науки Карнеги и соавтор статьи.
«Фазовые диаграммы» реакций дегидратации антигорита точно совпадают с давлением и температурой плиты в сейсмическом поясе.
Но фазовые диаграммы не так надежны при таких экстремальных температурах и глубинах. Таким образом, Вэй, например, хотел бы увидеть больше лабораторных данных о поведении антигорита и других водосодержащих минералов при высокой температуре и давлении, чтобы понять механизм.
Для него самой захватывающей частью исследования является наличие воды на глубине 180 миль под поверхностью. «В настоящее время мы не знаем, сколько воды проникает в недра Земли или как глубоко вода может в конечном итоге достичь», - сказал Вэй. «Другими словами, мы не знаем, сколько воды хранится в мантии, что является ключевым фактором водного баланса Земли».
Вода там, внизу, может быть так же важна для нас, как и вода здесь, наверху. Начинает казаться, что вода - это смазка, которая смазывает машину, перерабатывающую земную кору.
«Набор данных Тонга - это огромный сундук с сокровищами, который мы будем использовать в течение многих лет», - сказал Вэй. «Тонга может рассказать нам еще много историй о недрах Земли».