Hvad sker der under jordens overflade, når de kraftigste jordskælv opstår

03:34 lokal tid den 27. februar 2010, Chile blev ramt af et af de kraftigste jordskælv i et århundrede. Chokket udløste en tsunami, som ødelagde kystsamfund. De samlede begivenheder dræbte mere end 500 mennesker. Så kraftig var rysten, at efter et skøn fra NASA, det flyttede Jordens spinakse med hele 8 cm.

Som næsten alle de kraftigste jordskælv, dette var et megathrust jordskælv. Disse sker ved subduktionszoner, steder, hvor en tektonisk plade tvinges ind under en anden. Hvis pladerne pludselig glider – vælter, du får et massivt jordskælv. Skælvet i Chile i 2010 havde en styrke på 8,8:stærkt nok til at flytte bygninger væk fra deres fundamenter.

Vi forstår subduktionszoner dårligt, derfor geofysiker professor Anne Socquet, baseret på Université Grenoble Alpes i Frankrig, havde planlagt at besøge Chile. Hun ønskede at installere seismiske overvågningsinstrumenter for at indsamle data. Ved et tilfælde, hun ankom blot en uge efter jordskælvet. "Det var skræmmende, " sagde hun. "Den lejlighed, vi havde lejet, havde sprækker i væggene, som man kunne stikke næven inde i."

De fleste mennesker, der studerer megathrust-skælv, fokuserer på de forudsigelser, der umiddelbart går forud for hovedskælvet, Prof. Socquet siger. Men et usædvanligt træk ved megathrust-skælv er, at de ofte efterfølges af en række andre meget kraftige megathrust-skælv flere år senere og med epicentre hundreder af kilometer væk. Skælvet i Chile i 2010, for eksempel, blev efterfulgt af andre begivenheder i 2014, 2015 og 2016 var centreret om områder op og ned ad Chiles kyst. Prof. Socquet ønskede at se på disse sekvenser af megathrust jordskælv og undersøge de potentielle forbindelser mellem disse store jordskælv. Dette kræver en omhyggelig undersøgelse af seismologiske og geodætiske data i større målestok end tidligere.

Megathrust

Vi ved, at megathrust-skælv er resultatet af subduktionen af ​​en tektonisk plade under en anden. Men derudover, vi har meget lidt forståelse for dynamikken i subduktionen, og hvordan den kan udløse en ustabilitet, der fører til endnu en megathrust-begivenhed et par år senere. Der er nogle beviser for, at det kan være at gøre med frigivelse og migration af væsker i stor dybde. Prof. Socquets DEEP-trigger-projekt handler om at udfylde det hul. "Dette er en slags jomfruelig territorium med hensyn til observationer, " hun sagde.

Det første trin i det seks måneder gamle projekt skulle være at tilføje netværket af omkring 250 GPS-instrumenter, som hun har bidraget til i Chile siden 2007, og at bygge et nyt instrumentnetværk i Peru. I øjeblikket ikke i stand til at rejse til Sydamerika på grund af COVID-19-pandemien, hun har arbejdet med lokale kontakter for at begynde installationen. Hun arbejder også på beregningsværktøjer til at begynde at analysere ældre data fra regionen.

"Det kritiske vil være at have systematiske observationer af sammenhængen mellem det langsomme slip og de seismiske brud på store tids- og rumskalaer. Dette vil være et meget stort input til videnskaben."

På universitetet i Pavia i Italien, mineralog professor Matteo Alvaro er også interesseret i megaskælv - om end meget, meget ældre.

Det viser sig, at vi kan få et unikt vindue på subduktionszoner, som de var for millioner af år siden. Der er visse steder, få og langt imellem, hvor sten, der har været gennem subduktionszoner, tvinges op til overfladen. Ved at analysere disse klipper kan vi udlede de dybder og tryk, hvor subduktionen skete, og opbygge et billede af, hvordan subduktion fungerer - og måske hvordan megathrust-jordskælv udløses.

Krystal

Det fungerer normalt sådan. Geologer finder en sten lavet af et mineral med det, der kaldes en inklusionskrystal indeni. Denne indeslutning blev fanget inde i mineralet, da to subduktionsplader klemte hinanden i stor dybde, måske 100 km eller mere under overfladen. Det vil have en særlig krystalstruktur - en specifik, gentagne rumlige arrangementer af atomer - hvilket afhænger af det tryk, det oplevede, da det blev dannet. Krystallen kan afsløre trykket indeslutningen blev udsat for og dermed dybden den blev dannet ved.

Problemet er, dette er en overforenkling. Det holder kun, hvis indeslutningen er terningformet - og det er den næsten aldrig. Hele denne idé om tryk er lig med dybde - vi ved alle, at dette kan være forkert, siger prof. Alvaro. "De naturlige spørgsmål er, okay, men hvor meget tager vi fejl?" Det var det, han besluttede at finde ud af i sit projekt TRUE DEPTHS.

Planen var i princippet enkel. Prof Alvaro ønskede at måle den belastning, som krystallen oplever, mens den stadig er fanget inde i mineralet. Hvis han kunne forstå den lille forskydning af atomerne fra deres sædvanlige positioner i en typisk, utrykt krystalstruktur, det ville give et bedre mål for spændingen påført af den omgivende bjergart, da krystallen blev dannet, og dermed et mere nøjagtigt mål for den dybde, hvor den blev dannet. At studere atomstrukturen, han bruger en kombination af røntgenkrystallografi og en teknik kaldet Raman-spektroskopi.

Prof. Alvaro har netop demonstreret den første vellykkede anvendelse af sine teknikker. Han så på en prøve af en sten fra et sted kendt som Mir-røret i Sibirien. Dette er et skaft af smeltet kimberlitsten, der rejste sig meget hurtigt fra store dybder. (Vi får de fleste af vores diamanter fra kimberlitrør som dette, og sandelig, Mir er blevet udvundet i vid udstrækning.) Prof. Alvaro kiggede på sten af ​​granat med en lille kvarts indeslutning indeni, der blev bragt op. "Kimberlitten er elevatoren, der bringer den til overfladen, " han sagde.

Udløser

Ved at måle belastningen af ​​indeslutningerne, han kunne bekræfte, at det blev dannet ved et tryk på 1,5 gigaPascal (ca. 15, 000 gange det, der findes på Jordens overflade) og en temperatur på 850 ^o C. Dette er ikke helt overraskende, men det er det første bevis på, at prof. Alvaros teknik virkelig virker. Han søger nu at foretage flere målinger og bygge et bibliotek af eksempler.

Han undrer sig også, mere spekulativt, hvis det er muligt, at dannelsen og deformationen af ​​indeslutningerne kan fungere som den allerførste udløser af megathrust jordskælv. Tanken ville være, at disse bittesmå ændringer udløser revner i større klipper, der til sidst fører til, at en fejl glider malplaceret. Prof. Alvaro planlægger at udforske dette yderligere.

"Ingen ved, hvad den første trigger er, den ting, der udløser det første slip, " sagde prof. Alvaro. "Vi begyndte at tænke - og måske er det en fuldstændig skør idé - at det måske er disse indeslutninger. En klynge af dem, måske udsat for en øjeblikkelig faseændring og dermed en ændring i volumen. Måske kunne det være den allerførste trigger."