Геологи смоделировали глубокие землетрясения в лаборатории

Более 20 лет назад геолог Гарри Грин и его коллеги открыли механизм разрушения при высоком давлении, который, по их предположению, мог быть причиной глубоких землетрясений (глубже 400 км). Результат был спорным, так как сейсмологи не могли найти в Земле сейсмический сигнал, подтверждающий эту теорию. Теперь такое критическое доказательство найдено: под Японией сейсмологи зафиксировали и даже визуализировали характерные признаки, совпадающие с очагами глубоких землетрясений.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, Грин с коллегами продемонстрировали, как именно такие землетрясения можно смоделировать в лаборатории. Эксперименты были проведены на новой установке, позволяющей наблюдать за образцами с помощью синхротронного рентгеновского излучения в Advanced Photon Source (Национальная лаборатория Аргонна). Это позволило воссоздать соответствующие условия в недрах Земли и в реальном времени записывать и анализировать «землетрясения» в небольших образцах, что является самым убедительным на сегодня доказательством предложенного механизма.

Происхождение глубоких землетрясений принципиально отличается от механизма мелкофокусных (менее 50 км). На малых глубинах работают теории, связанные с трением и ростом трещин. Однако с ростом давления и температуры пластическая деформация внутри кристаллов начинает доминировать, и породы деформируются путем ползучести или течения, а не хрупкого разрушения. Кроме того, на глубинах более 400 км минерал оливин становится нестабильным и превращается в более плотный минерал — шпинель.

Исследовательская группа сосредоточилась на роли фазовых превращений оливина в запуске глубоких землетрясений. Лабораторные эксперименты по деформации оливина при высоком давлении показали, что «землетрясения» возникают только в узком температурном диапазоне, соответствующем условиям реальных очагов в недрах. «Мы обнаружили, что трещины зарождаются в самом начале перехода оливина в шпинель, — пояснил Грин. — Эти трещины распространяются динамически, генерируя интенсивные акустические эмиссии. Именно эти фазовые переходы, как мы утверждаем, представляют собой убедительный механизм возникновения очень глубоких землетрясений».