Djupa jordbävningar: varför de händer

Djupa jordbävningar upptäcktes på 1920-talet, men de är fortfarande föremål för strid i dag. Anledningen är enkel: de ska inte hända. Ändå står de för mer än 20 procent av alla jordbävningar.

Grunt jordbävningar kräver solida stenarter, närmare bestämt kalla, spröda bergarter. Endast dessa kan lagra elastisk belastning längs ett geologiskt fel som hålls i kontroll av friktion tills belastningen lossnar i ett våldsamt brott.

Jorden blir varmare med cirka 1 grad C med varje 100 meters djup i genomsnitt. Kombinera det med högt tryck under jord och det är tydligt att med cirka 50 kilometer ner, på i genomsnitt bör klipporna vara för varma och pressas för hårt för att spricka och slipa som de gör vid yta. Därför kräver djupfokuserade jordbävningar, de under 70 km, en förklaring.

subduktion ger oss en väg runt detta. När de litosfäriska plattorna som utgör jordens yttre skal samverkar, kastas några nedåt i den underliggande manteln. När de lämnar det platta-tektoniska spelet får de ett nytt namn: plattor. Till att börja med ger plattorna, gnugga mot den överliggande plattan och böjer sig under spänningen, grunda jordbävningar av subduktion. Dessa förklaras väl. Men när plattan går djupare än 70 km fortsätter chockerna. Flera faktorer tros hjälpa:

• Manteln är inte homogen utan är snarare full av variation. Vissa delar förblir spröda eller kalla under mycket långa tider. Den kalla plattan kan hitta något fast att pressa mot, vilket ger jordbävningar av grunt slag, ganska lite djupare än genomsnittet antyder. Dessutom kan den böjda plattan också böjas och upprepa deformationen som den kände tidigare men i motsatt mening.
• Mineraler i plattan börjar förändras under tryck. metamorfose basalt och gabbro i plattan ändras till den blåskoliga mineralsviten, som i sin tur förändras till granatrik eklogit runt 50 km djup. Vatten släpps ut vid varje steg i processen medan klipporna blir mer kompakta och blir mer spröda. Detta uttorkningssjukdom påverkar starkt spänningarna under jord.
• Under växande tryck, serpentin mineraler i plattan sönderdelas till mineralerna olivin och enstatit plus vatten. Detta är motsatsen till serpentinbildningen som hände när plattan var ung. Det tros vara komplett runt 160 km djup.
• Vatten kan utlösa lokal smältning i plattan. Smälta stenar, som nästan alla vätskor, tar mer utrymme än fasta ämnen, varför smältning kan bryta sprickor även på stora djup.
• Över ett brett djupområde med en genomsnitt på 410 km börjar olivin förändras till en annan kristallform som är identisk med mineralspinel. Detta är vad mineralologer kallar en fasförändring snarare än en kemisk förändring; endast mineralens volym påverkas. Olivin-spinell ändras igen till en perovskitform på cirka 650 km. (Dessa två djup markerar mantelens övergångszon.)
• Andra viktiga fasförändringar inkluderar enstatit till ilmenit och granat till perovskite på djup under 500 km.

Det finns alltså många kandidater för energin bakom djupa jordbävningar på alla djup mellan 70 och 700 km, kanske för många. Rollerna för temperatur och vatten är viktiga på alla djup, även om de inte är exakt kända. Som forskare säger är problemet fortfarande dåligt begränsat.

Det finns några mer betydande ledtrådar om händelser med djup fokus. Den ena är att bristningarna fortskrider mycket långsamt, mindre än hälften av hastigheten på grunt brott, och de verkar bestå av lappar eller nära avstånd. En annan är att de har få efterskalv, bara en tiondel så många som grunt skalv gör. De lindrar mer stress; det vill säga, stressfallet är i allmänhet mycket större för djupa än grunt händelser.

Fram till nyligen var konsensuskandidaten för energin från mycket djupa jordbävningar fasändringen från olivin till olivinspinel eller omvandlingsfel. Tanken var att små linser av olivin-spinell skulle bildas, gradvis expandera och så småningom ansluta till ett ark. Olivin-spinell är mjukare än olivin, därför kommer stressen att hitta en väg till plötslig frisättning längs dessa ark. Skikt av smält sten kan bildas för att smörja handlingen, liknande superfaults i litosfären kan chocken utlösa mer omvandlingsfel och jordbävningen skulle långsamt växa.

Då inträffade den stora djupa jordbävningen i Bolivia den 9 juni 1994, en händelse på 8,3 på ett djup av 636 km. Många arbetare tyckte att det skulle vara för mycket energi för den transformationsfelande modellen att redogöra för. Andra test har misslyckats med att bekräfta modellen. Inte alla är överens. Sedan dess har djupa jordbävningsspecialister provat nya idéer, förädlat gamla och haft en boll.