橄欖石相變可能是深層地震的原因

作者 | 發布日期 2022 年 09 月 24 日 0:00 | 分類 環境科學 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


地函幾百公里深處的地震稱為「深層地震」(deep earthquakes),偶爾會造成嚴重的災害,如 1994 年玻利維亞地震,震源深度為 638 公里,地震規模 8.3。

依震源深度不同可分為極淺地震(very shallow earthquakes),震源深度為 0~30 公里;淺層地震(shallow earthquakes)為 30~70 公里;中層地震(intermediate earthquakes)為 70~300 公里;深層地震為 300~700 公里。通常相同地震規模,震源深度越淺,對地表建築物破壞力越強。

深層地震原因仍是謎,因地震伴隨斷層快速滑動發生,但地函深處巨大壓力下很難偵測。且技術限制讓科學家無法在實驗室模擬地函深處,了解深層地震發生的機制。

一研究小組首次利用最先進的大體積應變(deformation)儀器,結合同步 X 射線觀測,以天然橄欖石(地函和隱沒帶主要礦物)進行應變實驗。地函深處條件下透過 X 射線成像觀察樣本主要斷裂發生情形,並透過發射超音波觀察「地震」現象。

▲ 左為實驗樣本,紅色虛線表示斷層處。中間顯示斷層充滿奈米晶橄欖石和 β-橄欖石(Wadsleyite)。右為斷層裂隙特寫,綠色部分為富含鐵的橄欖石部分熔融產物,沿奈米晶橄欖石的晶界分佈。(Source:Nature)。

▲ 深層地震震源優先分布於隱沒板塊中心的不穩定態橄欖石楔形體表面周圍。(Source:愛媛大學

分析樣本後,發現斷裂是由「老」橄欖石相變(晶體結構改變,phase transformation)後長出的幾十奈米超細晶粒「新」橄欖石引起,相變後晶粒可為斷層快速滑動的潤滑劑。由於快速滑動造成極高溫,樣本沿斷層局部熔化。模型基於實驗室實驗,可解釋深層地震分布,深層地震隨著深度從約 400 公里增加到 600 公里,不穩定態「老」橄欖石有望形成超細晶粒的「新」橄欖石。論文發表於《自然通訊》(Nature Communications)。

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖來源:Flickr/James St. John CC BY 2.0)

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