Дефекты в горных кристаллах дают ключи к движению грунта при землетрясениях

Микроскопические дефекты в горных кристаллах, находящиеся глубоко под поверхностью Земли, играют решающую роль в том, как земля движется и восстанавливается после сильных землетрясений, говорится в новом исследовании, опубликованном 9 июня в журнале Nature Communications.

Напряжения, возникающие в результате этих дефектов, которые достаточно малы, чтобы разрушить структуру кристалла, могут изменить движение горячих пород под земной корой, и, в те свою очередь, могут передать напряжение обратно на поверхность Земли, начиная отсчет времени до следующего землетрясения.

Новое исследование, проведенное Кембриджским университетом, является первым, в котором подробно описаны дефекты кристаллов и окружающие силовые поля. Понимая, как эти кристаллические дефекты влияют на горные породы в верхней мантии Земли, ученые могут лучше интерпретировать измерения движения грунта после землетрясений, которые дают жизненно важную информацию о том, где нарастает напряжение и где могут произойти будущие землетрясения.

Землетрясения происходят, когда куски земной коры внезапно проскальзывают друг мимо друга по линиям разломов, высвобождая накопленную энергию, которая распространяется по Земле и вызывает ее сотрясение. Это движение, как правило, является реакцией на нарастание тектонических сил в земной коре, в результате чего поверхность прогибается и в конечном итоге разрывается в форме землетрясения.

Работа ученых показывает, что то, как поверхность Земли оседает после землетрясения и накапливает напряжение до повторного события, в конечном счете может быть прослежено до крошечных дефектов в горных кристаллах в глубине Земли.

«Если вы сможете понять, как быстро могут течь эти глубокие породы и сколько времени потребуется для переноса напряжения между различными областями в зоне разлома, тогда мы сможем лучше предсказать, когда и где произойдет следующее землетрясение», — сказал доктор Дэвид Уоллис из департамента наук о земле Кембриджа.

Команда подвергла кристаллы оливина — наиболее распространенный компонент верхней мантии — воздействию различных давлений и температур, чтобы воспроизвести условия на глубине до 100 км под поверхностью Земли, где породы настолько горячие (примерно 1250 °C), что они движутся как сироп.

Ученые наблюдали искаженные кристаллические структуры с помощью электронной микроскопии с высоким разрешением, называемые дифракцией обратного рассеяния электронов. Их результаты показали, как горячие породы в верхней мантии могут таинственным образом превращаться сразу после землетрясения из текучих почти как сироп в густые и вялотекущие.

Это изменение толщины или вязкости переносит напряжение обратно на холодные и хрупкие породы в коре выше, где оно накапливается до следующего землетрясения.

Причина такого изменения в поведении оставалась открытым вопросом: «Мы знали, что микромасштабные процессы являются ключевым фактором, контролирующим землетрясения в течение некоторого времени, но было трудно наблюдать эти крошечные особенности достаточно подробно, — сказал Уоллис. — Благодаря новейшему методу микроскопии мы смогли заглянуть в кристаллическую структуру горячих глубоких пород и проследить, насколько важны эти мельчайшие дефекты на самом деле».