Stenkrystaller fra dybden giver mikroskopiske spor til jordskælvs jordbevægelser

Mikroskopiske ufuldkommenheder i stenkrystaller dybt under jordens overflade spiller en afgørende faktor for, hvordan jorden langsomt bevæger sig og nulstilles i kølvandet på store jordskælv, siger ny forskning, der involverer University of Cambridge.

Spændinger som følge af disse defekter - som er små nok til at forstyrre de atomare byggesten i en krystal - kan omdanne, hvordan varme sten under jordskorpen bevæger sig og til gengæld overføre stress tilbage til Jordens overflade, starter nedtællingen til det næste jordskælv.

Den nye undersøgelse, udgivet i Naturkommunikation , er den første til at kortlægge krystaldefekter og omgivende kraftfelter i detaljer. "De er så små, at vi kun har kunnet observere dem med de nyeste mikroskopiteknikker, "sagde hovedforfatter Dr. David Wallis fra Cambridge's Institut for Jordvidenskab, "Men det er klart, at de i høj grad kan påvirke, hvor dybe klipper bevæger sig, og endda styre, hvornår og hvor det næste jordskælv vil ske. "

Ved at forstå, hvordan disse krystaldefekter påvirker sten i Jordens øvre kappe, forskere kan bedre fortolke målinger af jordbevægelser efter jordskælv, som giver vigtige oplysninger om, hvor stress opbygges - og til gengæld, hvor fremtidige jordskælv kan forekomme.

Jordskælv sker, når stykker af jordskorpen pludselig glider forbi hinanden langs fejllinjer, frigiver lagret energi, der formerer sig gennem Jorden og får den til at ryste. Denne bevægelse er generelt et svar på opbygningen af ​​tektoniske kræfter i jordskorpen, får overfladen til at spænde og til sidst briste i form af et jordskælv.

Deres arbejde afslører, at den måde, jordens overflade lægger sig på efter et jordskælv, og gemmer stress før en gentagen begivenhed, i sidste ende kan spores til bittesmå defekter i stenkrystaller fra dybet.

"Hvis du kan forstå, hvor hurtigt disse dybe klipper kan flyde, og hvor lang tid det vil tage at overføre stress mellem forskellige områder på tværs af en fejlzone, så kan vi måske få bedre forudsigelser om, hvornår og hvor det næste jordskælv vil ramme, sagde Wallis.

Teamet udsatte olivinkrystaller - den mest almindelige komponent i den øvre kappe - for en række tryk og temperaturer for at replikere forhold på op til 100 km under jordens overflade, hvor stenene er så varme (cirka 1250oC), bevæger de sig som sirup.

Wallis sammenligner deres eksperimenter med en smed, der arbejder med varmt metal - ved de højeste temperaturer, deres prøver var glødende hvide og smidige.

De observerede de forvrængede krystalstrukturer ved hjælp af en højopløselig form for elektronmikroskopi, kaldet elektron backscatter diffraktion, som Wallis har foregået inden for geologiske materialer.

Deres resultater kaster lys over, hvordan varme klipper i den øvre kappe på mystisk vis kan forvandle sig fra at flyde næsten som sirup umiddelbart efter et jordskælv til at blive tyk og træg som tiden går.

Denne ændring i tykkelse - eller viskositet - overfører stress tilbage til de kolde og sprøde klipper i skorpen ovenfor, hvor det bygger sig op - indtil det næste jordskælv rammer.

Årsagen til denne adfærdskifte har været et åbent spørgsmål, "Vi har vidst, at mikroskala processer er en nøglefaktor, der kontrollerer jordskælv i et stykke tid, men det har været svært at observere disse små funktioner i detaljer nok, "sagde Wallis." Takket være en topmoderne mikroskopiteknik, vi har været i stand til at kigge ind i krystalrammen for varme, dybe klipper og opspore, hvor vigtige disse minimale fejl virkelig er. "

Wallis og medforfattere viser, at uregelmæssigheder i krystallerne bliver mere og mere sammenfiltrede med tiden; springer efter plads på grund af deres konkurrerende kraftfelter - og det er denne proces, der får klipperne til at blive mere tyktflydende.

Indtil nu havde man troet, at denne stigning i viskositet skyldtes det konkurrerende skub og træk af krystaller mod hinanden, snarere end at blive forårsaget af mikroskopiske defekter og deres stressfelter inde i selve krystallerne.

Teamet håber at anvende deres arbejde på at forbedre seismiske farekort, som ofte bruges i tektonisk aktive områder som det sydlige Californien til at estimere, hvor det næste jordskælv vil forekomme. Nuværende modeller, som normalt er baseret på, hvor jordskælv har ramt tidligere, og hvor stress derfor skal bygge op, tag kun højde for de mere umiddelbare ændringer på tværs af en fejlzone og overvej ikke gradvise spændingsændringer i sten, der flyder dybt inde i jorden.

Arbejde med kolleger på Utrecht University, Wallis planlægger også at anvende deres nye laboratoriebegrænsninger på modeller af jordbevægelser efter det farlige jordskælv i 2004, der ramte Indonesien, og jordskælvet i Japan i 2011 - som begge udløste tsunamier og førte til tab af titusinder af liv.