• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
20.09.2022, 12:08
Иван Лавренов
4
472

Механизм глубинных землетрясений воспроизвели в лаборатории

❋ 6.0

Подвергая образцы мантийных пород разрушению под высокими давлениями и температурами, ученые определили, как фазовые переходы оливина вызывают землетрясения в переходной зоне земной мантии.

Хризолит - полудрагоценная крупнокристаллическая разновидность оливина, основного минерала земной мантии.
Хризолит - полудрагоценная крупнокристаллическая разновидность оливина, основного минерала земной мантии / © https://drago-kamni.ru/wp-content/uploads/hrizolit545452-min.jpg / Автор: Екатерина Лебедева

Тектоника плит и мантийная конвекция поддерживают вещество Земли в постоянном напряжении. В земной мантии температуры достаточно высоки, и минералы находятся в вязкопластичном состоянии, благодаря чему мантийная конвекция и происходит. Механические напряжения приводят к медленной и непрерывной деформации горных пород на геологических масштабах времени.

Литосфера, взаимодействуя с мантией, тоже деформируется, но низкие температуры делают горные породы в ней хрупкими, а не пластичными. Они накапливают механические напряжения, а затем «ломаются» — так происходят землетрясения. Большая их часть локализуется на глубинах до 200 километров.

Некоторые землетрясения случаются и на гораздо большей глубине. Многие глубинные землетрясения происходят в пластах земной коры, погрузившихся в мантию при субдукции и еще не успевших нагреться до температуры пластичности. Но самые глубокие землетрясения объяснить не удавалось: чем глубже — тем сильнее давление вышележащих горных пород препятствует распространению трещин и резким сдвигам вдоль них.

Слева: погружение фрагмента земной коры в мантию при субдукции. Показан переход оливина в шпинелеподобные структуры на глубине 410 километров и его распад на глубине 660 километров. Справа: распределение землетрясений по глубине очага в километрах.
Слева: погружение фрагмента земной коры в мантию при субдукции. Показан переход оливина в шпинелеподобные структуры на глубине 410 километров и его распад на глубине 660 километров. Справа: распределение землетрясений по глубине очага в километрах. / © https://www.researchgate.net/figure/Magnitude-left-and-depth-right-distribution-histograms-for-intermediate-depth-and_fig3_318742317

Ученые из японского Университета Эхиме во главе с Томохиро Охучи (Tomohiro Ohuchi) выяснили механизм глубинных землетрясений экспериментально. Для этого они подвергали образцы оливина — основного минерала мантии — давлениям и температурам, соответствующим зоне глубинных землетрясений, и прикладывали к ним дополнительное раскалывающее усилие. За происходившим в экспериментальном объеме исследователи следили с помощью рентгеновской дифракции, видеографии и акустических датчиков. Результаты ученые представили в открытом доступе в журнале Nature Communications.

Область распространения глубинных землетрясений находится в переходной зоне мантии — слое глубиной приблизительно от 410 до 660 километров. В нем обычная структура оливина теряет устойчивость и сменяется более плотными модификациями высокого давления — вадслеитом на глубине до 525 километров и рингвудитом от 525 до 610 километров. Давления переходов составляют около 130 и 200 тысяч атмосфер. Еще глубже рингвудит распадается на перовскит и ферропериклаз.

Чаще всего глубинные землетрясения происходят на глубине 600 километров, и они практически исчезают ниже 680 километров, что предполагает их связь с фазовыми переходами оливина. Проверяя это предположение, ученые проводили эксперименты в диапазоне условий, перекрывающем фазовые переходы: при давлениях от 110 до 170 тысяч атмосфер и температурах от 590 до 1080 градусов Цельсия.

Оказалось, при давлениях более 130 тысяч атмосфер в оливине действительно возможна хрупкая деформация, но она происходит только в узком диапазоне температур от 830 до 890 градусов Цельсия. Прочность оливина на разрушение при этих температурах резко падала и оказывалась ниже порога пластической деформации, который при этих температурах еще довольно высок и составляет от 20 до 40 тысяч атмосфер.

Рентгеновская дифракция показала, что хрупкое разрушение происходит из-за начала фазового перехода оливина в вадслеит. Зарождающиеся островки новой фазы служат участками концентрации напряжения, и это «катализирует» фазовый переход в соседних участках — в оливине образуется «антитрещина», состоящая из смеси нанокристаллического оливина и вадслеита, более плотной, чем окружение.

Слева: срез экспериментальной капсулы высокого давления. Черным показаны поршни, молибденовая капсула и уплотнитель из оксида магния, красным обозначена линия раскола. Посередине: микрофотография среза с линией раскола (антитрещиной), наполненной смесью кристаллов оливина и вадслеита и окруженной оливином. Справа - вкрапления частиц железа, образовавшихся при плавлении в зоне сдвига.
Слева: срез экспериментальной капсулы высокого давления. Черным показаны поршни, молибденовая капсула и уплотнитель из оксида магния, красным обозначена линия раскола. Посередине: микрофотография среза с линией раскола (антитрещиной), наполненной смесью кристаллов оливина и вадслеита и окруженной оливином. Справа — вкрапления частиц железа, образовавшихся при плавлении в зоне сдвига. / ©Tomohiro Ohuchi, Ehime University

Участки породы начинают смещаться вдоль трещины, что сопровождается сильной акустической эмиссией, проще говоря — треском. Из-за высокого давления силы трения вызывают разогрев до 2000-2200 градусов Цельсия. Это приводит к моментальному плавлению и «смазыванию» трещины тонким слоем расплава. Выше 890 градусов треск полностью прекращался — раскол сменялся пластической деформацией, что объяснило резкое уменьшение количества землетрясений глубже 680 километров.

Ранее ученые связывали глубинные землетрясения с фазовыми переходами в других минералах, погружающихся в мантию при субдукции, но описываемый эксперимент подтверждает, что источником землетрясений может являться и сам оливин. Легкое распространение трещины и свободное скольжение вдоль нее приводят к ее распространению на весь образец, а в мантии — на всю зону механического напряжения. Таким образом, масштабное высвобождение сейсмической энергии в переходной зоне мантии Земли оказалось действительно возможным.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
30 августа, 10:43
Александр Березин

До сих пор совместные наблюдения гравитационно-волновых обсерваторий LIGO, Virgo и KAGRA показывали только 90 кандидатов в слияния, порождающие гравиволны. Новый каталог более чем удвоил число этих объектов и породил серьезные астрофизические вопросы.

29 августа, 20:53
Адель Романова

По соотношению некоторых химических элементов ученые попытались вычислить, сколько воды и вообще летучих веществ могла накопить наша планета во время своего формирования. Выяснилось, что первозданная Земля должна была быть «сухой». Самое интересное, что кометы, согласно расчетам, не могли обогатить ее океанами. Вместо этого лучше всего современное состояние Земли объяснила другая смелая версия: о том, что большая часть нашей воды — с другой планеты.

30 августа, 15:39
Игорь Байдов

Между 1250 и 1860 годами Европу чаще обычного сотрясали бунты и восстания. За фасадом политических интриг и социального гнева скрывался безмолвный союзник бунтовщиков — сама природа. Авторы нового исследования пришли к выводу, что извержения вулканов и солнечная активность, вероятно, сыграли куда более весомую роль в европейской истории, чем принято считать, в том числе эти события могли повлиять и на одно из самых известных социальных потрясений.

28 августа, 08:50
Игорь Байдов

Согласно выводам авторов нового исследования, сумчатый волк, или тилацин, проиграл эволюционную битву за выживание за миллионы лет до того, как первый человек ступил на австралийскую землю. Оказалось, этот вид хищных сумчатых постепенно терял ключевые гены, что сделало его уязвимым перед лицом природных изменений. Человек и динго лишь довершили процесс.

27 августа, 15:12
ФизТех

Физики из МФТИ и Всероссийского научно-исследовательского института автоматики имени Н.Л. Духова (ВНИИА) предложили и теоретически обосновали новый способ создания макроскопических квантовых состояний света, известных как «коты Шредингера». Механизм, основанный на рассеянии лазерного излучения на свободных электронах, открывает путь к созданию таких состояний в условиях, где другие, более известные методы, не работают. Это достижение не только расширяет фундаментальное понимание взаимодействия света и материи, но и предоставляет новый инструмент для развития квантовых технологий.

30 августа, 10:43
Александр Березин

До сих пор совместные наблюдения гравитационно-волновых обсерваторий LIGO, Virgo и KAGRA показывали только 90 кандидатов в слияния, порождающие гравиволны. Новый каталог более чем удвоил число этих объектов и породил серьезные астрофизические вопросы.

6 августа, 20:59
Татьяна Пичугина

Примерно 12 800 лет назад в Северном полушарии началось резкое изменение климата, которое сопровождалось вымиранием мегафауны и угасанием культуры Кловис. Такое могло произойти, например, из-за прорыва пресных вод в Атлантику или мощного вулканического извержения. Несколько лет назад ученые обнаружили места на суше с повышенным содержанием элементов платиновой группы, прослоями угля, микрочастицами расплава. По их мнению, это может быть признаком пребывания Земли в потоке обломков кометы или астероида. В новой работе впервые представлены доказательства кометного события в позднем дриасе из морских осадочных толщ.

12 августа, 11:29
Юлия Трепалина

Влияет ли формат знакомства на качество последующих романтических отношений в паре? Научные данные на этот счет разнятся. Новое исследование по вопросу представила группа психологов из Польши, Австралии и Великобритании. В попытке понять, при каком сценарии удовлетворенность отношениями выше, а любовь крепче — когда двое нашли друг друга в Сети или познакомились в жизни, — ученые опросили свыше 6000 тысяч человек из разных стран.

3 августа, 12:57
Александр Березин

Тщательный анализ спутниковых снимков позволил ученым оценить изменение скорости фотосинтеза на планете с 2003 по 2021 годы. Ситуация оказалась несколько неожиданной: если на суше растения явно «ускорились», то в океане ситуация намного менее определенная.

[miniorange_social_login]

Комментарии

4 Комментария
-
0
+
https://300.ya.ru/i5d2T1xX Длительность дня изменилась на доли миллисекунды из-за того, что внутреннее ядро нашей планеты замедлило и, предположительно, изменило направление вращения. Об этом отмечается в исследовании, опубликованном группой китайских ученых в журнале Nature Geoscience. Работа И Яна и Сяодун Суна из Пекинского университета основана на анализе сейсмических волн, вызванных землетрясениями. П.Минкин: 1)Земля вращается за счёт орбитальной скорости и приливного влияния Солнца. Чем дальше Земля от Солнца -тем меньше скорость вращения. https://disk.yandex.ru/i/HGjBUZn3C-rVsA 2)Если Твёрдое ядро начинает вращаться медленнее Земной коры и мантии, то нарушается целостность планеты, растёт трение и увеличивается разогрев расплавленного Внешнего ядра, что будет способствовать ещё большему замедлению вращения твёрдого Внутреннего ядра и росту вулканической активности.
-
0
+
спасибо, очень интересно, новостей по геологии у нас обычно мало) скажите, а вязкопластичное состояние - это твердое, но при этом текучее я правильно понимаю?
    Да, на резкие деформации материал реагирует как твердый, а на постепенные - как жидкость. Вязкопластичность определяется реакцией на механическое напряжение. Есои оно резкое и сильное, то смола и даже мёд раскалываются. Если не превосходит предела раскалывания, то зависит от температуры. Если она выше где-то двух третей от температуры плавления, материал течет, хотя в случае мантии и очень медленно. Ниже этой температуры "податливость" очень резко снижается, и срок пластической деформации даже при предельном напряжении, еще не вызывающем раскалывания, возрастает от годов до миллионов лет, а затем и становится больше возраста Вселенной. У стёкол есть точно определенная температура перехода - точка стеклования, у кристаллических материалов все чуть сложнее и зависит от структуры, но общий смысл примерно такой же.
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Закрыть
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно