小小石头竟然能引发地震?
科学家们一直未能找到足够的证据来解答这一谜团,直到他们发现了地球地幔中的一种关键矿物——橄榄石。
一块看似普通的小石头真的能引发强烈的地震吗?有些地震,震源深达数百公里,穿越厚重的岩石层,却依然能让数千公里外的建筑物感受到强烈的摇晃。例如,1994年发生在南美洲玻利维亚的8.3级深源地震,震源深度达到640公里。尽管此次地震未引起破坏,但在西半球大部分地球有感。
这些深源地震的成因长期以来一直是地球科学领域的难题。科学家们一直未能找到足够的证据来解答这一谜团,直到他们发现了地球地幔中的一种关键矿物——橄榄石。
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什么是深源地震?
自20世纪70年代以来,科学家们就已经知道在地球几百公里深处存在深源地震。在这个深度,压力和温度足以使岩石产生剧烈的物理变化,但却无法像浅源地震那样通过脆性断裂引发地震。在300公里以下的地球深处,地震的发生频率会迅速减少。然而,到了600公里深度,地震的发生频率再次上升,并且在700公里深处,地震的发生则几乎停止。
根据震源深度的不同,地震可以分为浅源地震、中源地震和深源地震。震源深度是指震源到地表的垂直距离,通常用来衡量地震的深浅。具体而言,震源深度在60千米以内的地震为浅源地震,深度介于60千米到300千米之间的为中源地震,而震源深度大于300千米的则为深源地震(300千米的深度相当于约34个珠穆朗玛峰的高度)。
来源:搜狐网
通常情况下,对于相同震级的地震,震源越浅,地表建筑物的破坏力越强。相比之下,深源地震的破坏力较小,但震波传输的距离更远,能影响更广泛的地区。
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橄榄石是什么?
橄榄石是一种常见的硅酸盐矿物,主要由镁和铁等元素组成。它是地球地幔中最丰富的矿物之一,存在于地球深处的各种岩石中。橄榄石在地幔中的分布非常广泛,从地幔部分熔融的物质到俯冲的洋壳,几乎无处不在。
岩石中的橄榄石 来源:百度网
虽然橄榄石本身并不直接引发地震,但其在地幔中的相变过程却与地震的发生密切相关。当橄榄石在高压和高温条件下发生相变时,其结构的变化会导致能量积聚,最终可能触发地震。
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深源地震为何会发生?
大家都知道地震通常在极短的时间内发生,这使得在实验室中模拟这一过程非常困难。然而,近年来,科学家们通过在大型同步辐射设施SPring-8中开展实验,模拟了地幔深处的高温高压条件。研究发现,当橄榄石晶体在13GPa至16GPa的高压和600至1100°C的高温下发生相变时,会形成脆弱的纳米颗粒层。这些纳米颗粒层能够积聚能量,当其温度瞬间达到约2400°C时,橄榄石熔化,从而形成断层并引发地震。
深层地震震源分布在不稳定态橄榄石楔形体的周围
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不稳定态橄榄石的作用?
在地幔的过渡带(深度约410公里至660公里)中,橄榄石经历了多个重要的相变过程。这些相变并非静止的过程,而是极其活跃且具有地震学意义的动态变化。根据2024年发表在《自然地球科学》的一篇论文,橄榄石在高压下会发生结构变化,转变为不同的矿物形式。具体来说,在13GPa至16GPa的压力范围内,橄榄石转变为瓦兹利石;当压力升高至19GPa时,瓦兹利石进一步转变为林伍德石;最终在24GPa的极高压力下,林伍德石会分解为布里奇曼石和铁方镁石。
这些相变过程不仅是地球内部的物理变化,也是与深层地震活动密切相关的关键因素。研究表明,地幔过渡带的异常地震频率与这些矿物的相变紧密相关。
瓦兹利石和断层橄榄石 a.在 14 GPa 压力和 1,400 ºC 温度下合成的瓦兹利石的光学显微镜图像。b.在 15.5 GPa 和 830 ºC 下变形的多晶橄榄石中形成的断层泥层的扫描透射电子显微镜图像,该层填充有橄榄石和瓦兹利石的纳米颗粒。
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为什么下地幔没有地震?
与上地幔和地幔过渡带不同,下地幔几乎是一个“寂静的世界”。在这个区域,几乎没有发生地震。科学家们至今无法解释为何在这个区域,橄榄石的深层转变不会引发地震。下地幔的物理条件与上地幔和地幔过渡带存在显著差异,这使得在该区域的实验研究变得异常困难。因此,关于下地幔是否存在某种未被发现的转变机制,仍然是一个谜。
地震的探索仍待进一步深入