Udslip af vand ryster Pacific Plate i dybden

Tonga er et seismologers paradis, og ikke kun på grund af de hvide sandstrande. Subduktionszonen ud for øgruppens østkyst rager mere jordskælv i dybden og dybden end nogen anden subduktionszone, hvor en plade af Jordens litosfære dykker under en anden, på planeten.

"Tonga er et ekstremt sted, og det gør det meget afslørende, "sagde S. Shawn Wei, en seismolog, der fik sin doktorgrad ved Washington University i St. Louis og nu er postdoktor ved Scripps Institution of Oceanography i San Diego.

Den sværm af jordskælv er katnip for seismologer, fordi de stadig ikke forstår, hvad der får jordskælv til at springe ud på så store dybder.

Under omkring 40 miles, den enorme varme og tryk i Jordens indre skal holde klippen blød og smidig, mere tilbøjelige til at sive end til at snappe. Så at udløse et jordskælv i dybden burde være som at få melasse til at knuse.

I udgaven af ​​11. januar af Videnskab fremskridt , et team af seismologer fra Washington University, Scripps Institution of Oceanography og Carnegie Institution for Science analyserer data fra 671 jordskælv, der fandt sted mellem 30 og 280 miles under jordens overflade i Stillehavspladen, da den faldt ned i Tonga -skyttegraven.

Analyse af data fra flere seismiske undersøgelser med både havbundsseismometre og ø-baserede seismiske stationer, de blev overraskede over at finde en zone med intens jordskælvsaktivitet i den nedadgående plade, som de kalder et seismisk bælte.

Aktivitetsmønsteret langs pladen gav et stærkt bevis på, at jordskælvene er udløst af vandudslip i dybden.

"Det ser ud til, at det seismiske bælte frembringes ved pludselig skylning af vand, når pladen varmes op nok til, at de hydratiserede mineraler kan nedbrydes og afgive deres vand, "sagde Doug Wiens, Robert S. Brookings Distinguished Professor of earth and planetary sciences in Arts &Sciences ved Washington University.

"Væskens tryk forårsager jordskælv på samme måde som spildevand, der injiceres i dybe brønde, forårsager dem i Oklahoma, "Sagde Wiens." Selvom detaljerne er meget forskellige, når det er mange kilometer ned, det er den samme fysiske proces. "

En mester subduktionszone

Tonga -grøften har et æressted i seismologiens annaler, fordi det er her amerikanske forskere, opfordret til at undersøge den brokkerende jord af kongen af ​​Tonga, fik deres første klare glimt af en subduktionszone i aktion.

Det klassiske papir, som forskerne Bryan Isacks, Jack Oliver og Lynn Sykes udgivet i 1968 førte til accept af den dengang spekulative teori om pladetektonik.

I 1985, den japanske seismolog Hitoshi Kawakatsu opdagede noget andet interessant i Tonga:den nedadgående plade har en dobbelt seismisk zone. "Der er to zoner med jordskælv i pladen, "Wiens sagde." Den ene er i den øverste del af pladen, og den anden er mod midten af ​​pladen. "

Wiens, som har studeret Tonga subduktionszonen siden begyndelsen af ​​1990'erne, siger, at det er et fantastisk naturligt laboratorium, fordi dets egenskaber er så ekstreme. Havbunden, der tager dyket der, er ældre og koldere end de fleste andre subdukterende plader. Det går også meget hurtigt.

"I den nordlige del af Tonga -grøften, pladen bevæger sig 9 tommer om året, "sagde Wiens." San Andreas -fejlen, til sammenligning, bevæger sig 2 tommer om året. "

Og den subducerende plade har en anden nyttig finurlighed. Det falder ikke ned i skyttegraven med ensartet hastighed, men går i stedet ned meget hurtigere i den nordlige ende af skyttegraven end i den sydlige ende.

Det betyder, at pladen varmes op med forskellige hastigheder langs dens længde. "Det er som at skubbe en kold chokolade i en boblende pudding med budding, "sagde Wiens." Hvis du skubber langsomt, chokoladen har en chance for at varme op og smelte, men hvis du presser hurtigt, chokoladen forbliver kold længere. "

Dette er et perfekt setup til at studere temperaturafhængigt fænomen.

Overraskelsen

Da Wei analyserede dataene fra Tonga, han så den dobbelte seismiske zone, den japanske videnskabsmand havde opdaget. "Vi skal stort set følge op på det papir fra 1985, " han sagde.

"Hvor den dobbelte seismiske zone begyndte at bryde sammen i Tonga, imidlertid, vi så dette virkelig aktive område af jordskælv, som vi kaldte det seismiske bælte, ”Sagde Wiens.” Det var en overraskelse; vi havde ikke forventet det. "

Hvorfor det pludselige udbrud af jordskælv, da pladen faldt ned? Det sigende spor var, at udbruddet vinklede opad fra nord til syd langs pladen. Jo hurtigere pladen bevægede sig, jo dybere jordskælvene, og jo langsommere er pladen, jo lavere jordskælvene.

Det vinklede seismiske bælte fortalte forskerne, at mekanismen, der udløste jordskælv, var temperaturfølsom. "Vi tror, ​​at jordskælvene opstår, når kappen i den nedadgående plade bliver varm nok til at frigive sit vand, "Sagde Wiens.

"Folk har foreslået denne mekanisme før, men dette er den rygende pistol, "Wiens fortsatte." Seismiciteten ændrer dybde på en måde, der er korreleret med subduktionshastigheden og pladetemperaturen. "

Dybdevandscyklussen

Men hvor kommer vandet fra, og hvorfor frigives den pludselig?

Stillehavspladens indre udsættes for havvand, når pladen trækkes under Tonga -pladen og fejl åbnes på dens øvre overflade, Sagde Wei. Havvand reagerer med klippen for at danne vandholdige mineraler (mineraler, der inkluderer vand i deres krystalstruktur) i serpentinfamilien. Den mest rigelige af disse serpentinmineraler er en grøn sten kaldet antigorit.

Men da pladen falder ned, og temperaturen og trykket stiger, disse vandholdige mineraler bliver ustabile og nedbrydes gennem dehydratiseringsreaktioner, Sagde Wei.

Denne pludselige frigivelse af store mængder vand er det, der udløser jordskælvene.

"Den temperatur, vi forudsiger på jordskælvsstederne, tyder kraftigt på, at mineraler dehydrerer meget dybt i Tonga -subduktionszonen, sagde Peter van Keken, en personaleforsker ved Carnegie Institution for Science og en medforfatter på papiret.

"Fasediagrammerne" for antigorit -dehydratiseringsreaktioner overlapper pænt med trykket og temperaturen på pladen ved det seismiske bælte.

Men fasediagrammerne er ikke så pålidelige ved disse ekstreme temperaturer og dybder. Så Wei, For en, vil gerne se flere laboratoriedata om adfærden af ​​antigorit og andre vandholdige mineraler ved høj temperatur og tryk for at sømme mekanismen.

For ham, den mest spændende del af forskningen er beviset på vand 180 miles under overfladen.

"Vi ved i øjeblikket ikke, hvor meget vand der kommer til den dybe jord, eller hvor dybt vandet endelig kan nå, "Wei sagde." Med andre ord, vi ved ikke, hvor meget vand der er gemt i kappen, hvilket er en nøglefaktor for Jordens vandbudget. "

Vandet dernede kan være lige så vigtigt for os som vandet heroppe. Det begynder at ligne vand, er smøremidlet, der olierer maskinen, der genbruger jordskorpen.

"Tonga -datasættet er så stor en skattekiste, som vi vil udnytte i mange år fremover, "sagde Wei." Tonga har mange flere historier at fortælle os om Jordens indre. "