極其罕見的事件?科學家偵測到一次「不可能發生」的地震

地震大多發生在地殼內,或上地幔。但是最近一篇發表在《地球物理研究通訊》雜誌上的論文稱,2015年科學家在小笠原群島偵測到的一次地震發生在地幔的下部,震源深度達到了破紀錄的751千米,讓研究人員感到費解。

地震通常發生在地殼和地幔的上部,震源深度大多不超過100千米。地殼的平均厚度只有20千米,主要成分是凝固的岩石,結構脆弱,受壓後很容易斷裂。而隨著深度的增加,地殼下部和地幔上部的岩石所受的壓力越來越大,溫度也越來越高。這會導致岩石越來越不容易斷裂。

但是高壓有時候會將岩石孔洞中的流體壓出,使其變得脆弱而容易折斷。許多震源深度在400千米以內的地震都是通過這種方式產生的。但是如果震源深度超過400千米,這種機制就逐漸不適用了。超過這個深度,岩石中不再有可以保留水的孔洞,因此地震也無法再由流體觸發。

主流的觀點認為,震源深度400千米以上的地震原因可能與礦物在壓力下發生的形態轉化有關。地球地幔的大部分是由綠色的橄欖石組成的。在深度超過400千米的地下,橄欖石中的原子會因壓力而發生重組,轉化為藍色的「瓦士利石」;深度超過500千米後,「瓦士利石」會變成「林伍德石」;深度超過680千米,「林伍德石」又會變成「布裡奇曼特石」和「方鎂石」。這最後一次轉化,構成了上地幔和下地幔的分界線。

我們可以把這些不同的礦物看作是橄欖石的不同形態。就好像石墨和鑽石,雖然特性截然不同,實則卻是同一種東西:碳。橄欖石在越來越大的壓力下彎曲能力會越來越強,斷裂的可能性也越來越低,因此也就會越來越難觸發地震。

上世紀80年代的科學實驗結果表明,橄欖石不同礦物形態之間的界線有時候並不那麼清晰。有時候它會越過某個階段,「越級」直接轉化為下一種礦物形態。比如它有時候會直接從橄欖石轉化為「林伍德石」,而無需先轉化為「瓦士利石」,再轉化為「林伍德石」。如果我們在這種「越級」轉化的過程中,對其施以足夠大的壓力,那麼它就會無法保持持續的彎曲能力,而變得容易折斷。

這一機制可以用來解釋震源深度超過400千米的地震。但是如果深度達到751千米,情況就又不同了。到達這個深度後,我們實際上已經來到了地幔的下部,也就是所謂的下地幔。如果再往下,越過下地幔,我們將可以觸及液態的外地核。

在這麼深的地方發生地震是不可思議的。研究人員認為存在一種可能,即在小笠原群島下方,上地幔和下地幔的界線深度與別處不同。由于小笠原群島位于板塊交界處,海洋板塊在這裡俯衝到了大陸板塊下方,這可能會導致地球內部的結構形態在某種程度上發生扭曲。

研究人員認為,此處的地殼板塊可能已經俯衝到了下地幔中,大量地殼岩石在那裡承受著巨大的壓力。在這樣的異常環境中,岩石可能會發生非常態的斷裂。

也有科學家認為,這樣的地震,其原因可能與礦物的轉化過程遭遇到異常情況有關。朝著地心俯衝的地殼溫度比其周圍要低許多。這意味著在某些地方,礦物雖然已經獲得了足夠大的壓力,卻又無法獲得足夠高的溫度來完成它在別處能夠正常進行的轉化。

在足夠大的壓力下,橄欖石能夠轉化為不那麼脆弱的形態。但是如果由于俯衝的板塊溫度較低,導致環境溫度不夠高,這種轉化就無法完成。這也是地震通常會發生在地殼下部的原因:因為那裡的溫度還不夠高。

無論是什麼原因,這種地震的確十分罕見。全球只有大約一半的板塊俯衝區會發生深源地震,而這種超深源地震,平均每兩至五年才有機會發生一次。

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