Самое глубокое землетрясение, когда-либо зарегистрированное, произошло в 467 милях под Японией в 2015 году в нижней части мантии.

Одним весенним вечером шесть лет назад, в сотнях миль под землей, наша планета начала сотрясаться от серии своеобразных землетрясений. Большая часть землетрясений ударяется в пределах нескольких десятков миль от поверхности, но эти землетрясения возникают на глубинах, где температура и давление становятся настолько сильными, что камни склонны скорее изгибаться, чем ломаться.

Первый толчок, который произошел у берегов отдаленных японских островов Бонин, был зарегистрирован с магнитудой 7,9 и глубиной до 680 километров (423 миль) под землей, что сделало его одним из самых глубоких землетрясений такого размера.

Затем в последовавшем за этим каскаде афтершоков проявилась еще одна странность: крошечный очаг, который, если он подтвердится, станет самым глубоким из когда-либо обнаруженных землетрясений.

Сверхглубокое землетрясение, недавно описанное в журнале Geophysical Research Letters, По оценкам, она ударила примерно на 751 километр (467 миль) под поверхностью в слое нашей планеты, известном как нижняя мантия, где ученые долгое время считали землетрясения маловероятными, если не невозможными. Хотя и раньше были намеки на землетрясения в нижней мантии, исследователи изо всех сил пытались определить их местонахождение в этом слое Земли.

«Это, безусловно, лучшее свидетельство землетрясения в нижней мантии.— говорит Дуглас Винс, сейсмолог, специализирующийся на глубоких землетрясениях из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, не входивший в исследовательскую группу.

Некоторые ученые предупреждают, что необходимы дополнительные исследования, чтобы подтвердить, что землетрясение действительно произошло в нижней части мантии. Хотя граница проходит в среднем на 660 километров (410 миль) под землей, она может варьироваться в зависимости от земного шара. Считается, что под Японией нижняя мантия начинается примерно на 700 километров (435 миль) вниз. Команда обнаружила несколько афтершоков на этой глубине, но одно конкретное землетрясение произошло намного дальше.

Хотя глубокие землетрясения не вызывают такого же разрушения, как их неглубокие аналоги, изучение этих событий может помочь ученым разгадать загадочные пути, по которым наша планета смещается далеко под нашими ногами. Сейсмические толчки — одно из немногих окон во внутреннее устройство нашей планеты, и каждое неожиданное событие, например землетрясение в нижней мантии, может открывать новые виды на подземный мир.

При определенных условиях возможны редкие землетрясения в нижней мантии.— говорит Хайди Хьюстон, геофизик и эксперт по глубоким землетрясениям из Университета Южной Калифорнии, не входившая в исследовательскую группу. «Не исключено,» она говорит. «Это одна из вещей, которая делает это интересным, захватывающим и важным для изучения.”

Грохот из глубины

Темблор магнитудой 7,9 уже сам по себе был странностью. Большая глубина и большие размеры этого землетрясения сотрясали Землю вблизи и далеко. Население всех 47 префектур Японии сообщило о том, что почувствовало землетрясение, что является первым за более чем 130 лет ведения учета.

Напротив, подавляющее большинство землетрясений неглубокие. Из 56 832 умеренных и сильных землетрясений, зарегистрированных в период с 1976 по 2020 год, только около 18 процентов были глубже 70 километров (43 миль). Еще меньше, около четырех процентов, произошло на глубине менее 300 километров (186 миль), что является глубиной, обычно используемой в качестве пороговой для определения «глубоких землетрясений».

Почти столетие — с тех пор, как английский астроном и сейсмолог Герберт Холл Тернер обнаружил первое глубокое землетрясение в 1922 году — ученые ломают голову над тем, как вообще могут происходить эти землетрясения.

У поверхности медленные битвы тектонических плит создают напряжение, пока земля не расколется и не сдвинется, посылая сотрясения землетрясения. Однако глубоко в недрах Земли высокое давление предотвращает подобные толчки. «Просто все очень сильно сжато во все стороны,— говорит Хьюстон.

Добавьте к этому шипящую температуру глубоко под землей, и камни будут больше походить на замазку, чем на твердые куски.— говорит Магали Биллен, геодинамик из Калифорнийского университета в Дэвисе, которая не участвовала в новом исследовании. Она демонстрирует это во время видеоинтервью, используя розовый комок жевательной резинки Silly Putty. Когда она медленно вытягивает его, он растягивается и превращается в веревочные нити. Но если быстро деформироваться, «вот когда он ломается,— говорит Биллен. Она быстро дергает розовую каплю, и она со слабым хлопком раскалывается надвое.

Что заставляет это происходить?

Чтобы изучить этот вопрос, сейсмолог из Университета Аризоны Эрик Кайзер и его коллеги внимательно изучили сильное землетрясение под островами Бонин, которое осветило сейсмометры по всему миру, включая плотную сеть Японии, известную как массив Hi-Net.

Команда проанализировала накопленные Hi-Net данные в поисках подземных толчков, последовавших за сильным землетрясением. Такое крупное событие может вызвать рикошет энергии через недра, который может скрыть небольшие толчки.

Чтобы усилить слабые сигналы на фоне всего шума, исследователи использовали метод, известный как обратная проекция, который позволяет им суммировать данные с нескольких сейсмометров. Конечно, четыре подземных толчка прогрохотали на глубине от 695 до 715 километров, и еще один стоял особняком: землетрясение в 751 километре под землей.

Таинственное происхождение

Все глубокие землетрясения происходят вблизи современных или древних зон субдукции, где сталкивающиеся тектонические плиты приводят к измельчению одной плиты под другой. Изменения в опускающихся плитах по мере их погружения на чрезвычайно глубокие подземные глубины, вероятно, вызывают сотрясения далеко под поверхностью.

Но ученые до сих пор не уверены, как напряжение становится достаточно высоким, чтобы вызвать землетрясение в глубоких землях. Одна популярная идея связана с тем же явлением, которое разделяет мантию на слои.

Верхняя мантия изобилует сверкающим зеленым минералом оливином, но на больших глубинах кристаллическая структура минерала уже не стабильна. Начиная примерно с 410 километров (255 миль) вниз, атомы могут перегруппироваться в минералы вадслеит или рингвудит, которые становятся все более распространенными с глубиной. Трансформация оливина внутри плиты может создать слабые места в породе, где он может быстро деформироваться, вызывая глубокое землетрясение.

Но примерно на 660 км (410 миль) вниз система резко меняется. Танец сейсмических волн вокруг этой границы предполагает, что скалы внизу намного плотнее, чем те, что вверху — начало нижней мантии.

В этом слое преобладает минерал бриджманит земляного оттенка, и землетрясения оливина, которые могут происходить выше, больше не происходят. Так что, если землетрясение действительно произошло в этом слое планеты, его должно было вызвать что-то еще.

Одна из возможностей — это преобразование другого минерала в тонущей плите, такого как минерал энстатит с оттенком сепии. Но Кисер и его коллеги также заметили еще один возможный спусковой механизм в движениях плиты.

Крошечные афтершоки, последовавшие за землетрясением магнитудой 7,9, по всей видимости, произошли около основания разорванной плиты субдуцированного дна Тихого океана, которая пробила верхнюю часть нижней мантии. Команда предполагает, что из-за сильного землетрясения часть искореженной плиты могла немного осесть — «мы говорим очень, очень слабо», — говорит Кайзер. Этого небольшого сдвига могло быть достаточно, чтобы сконцентрировать напряжения в основании плиты, когда она погружалась в более плотные породы нижней мантии.

Один из способов, которым такое увеличение напряжения может привести к глубокому землетрясению, — это небольшая деформация горных пород, которая может выделять тепло и ослаблять их. Этот процесс мог запустить петлю обратной связи, заставляющую породу деформироваться все быстрее и быстрее по мере того, как она становится все горячее и слабее, пока блоки не сдвинутся в результате землетрясения. По словам Биллена, из-за тепла здания мог даже образоваться расплав, который стал смазкой для скольжения.

Дальнейший анализ и моделирование структур опускающейся плиты и положения афтершоков от события магнитудой 7,9 может помочь расшифровать механизм не только этого события, но и других глубоких землетрясений. «Может быть, их нельзя объяснить одним-единственным механизмом,— говорит Хайцзян Чжан, сейсмолог Китайского университета науки и технологий (USTC), не входивший в исследовательскую группу.

Подпрыгивающая энергия

Чжан, например, «не удивился» тому, что афтершок может ударить по нижней части мантии. В своей прошлой работе Чжан и его коллеги увидели намеки на то, что землетрясение магнитудой 7,9 у островов Бонин на глубине около 680 километров (422 мили), возможно, также произошло в этом слое Земли.

Но землетрясение в нижней части мантии опрокинуло бы давние представления о внутренней работе нашей планеты — и не все убеждены в утверждениях нового исследования. В некоторых случаях методы, используемые для усиления сигналов такого землетрясения, могут «вызывать ложные срабатывания», — пишет по электронной почте Инцай Чжэн, сейсмолог из Хьюстонского университета. «Дьявол кроется в деталях.”

Ложная тревога может возникнуть, например, если волны от другого землетрясения отразятся от внутренних структур Земли, а затем будут захвачены сейсмической группой.— отмечает команда в своем исследовании. Но Джон Видейл, сейсмолог из Университета Южной Калифорнии, говорит, что Сейсмические сигналы, похоже, исходят от истинного землетрясения, по крайней мере, такой глубины, как предполагают авторы исследования. «Мне это кажется безошибочным,» он говорит.

Дополнительное подтверждение события может быть получено при поиске другого типа землетрясения, известного как поперечная или S-волна. Новое исследование идентифицирует землетрясения с помощью волн давления или P-волн, которые быстро проходят через землю, как обтяжка, тянущаяся вперед и назад. S-волны распространяются медленнее и раскачивают землю из стороны в сторону или вверх и вниз. Если волны S и P прибудут в ожидаемое время, основанное на позиции, где, по мнению группы, произошло это сверхглубокое землетрясение, Видейл говорит: «такой гвоздь.”

Однако Видале отмечает, что даже если глубина может быть подтверждена, граница нижней мантии в этом месте до сих пор остается открытым вопросом. Сейсмические изображения намекают, что по мере того, как плита погружается в плотные породы нижней мантии, он начинает складываться взад и вперед, «как мокрая лапша», Хьюстон говорит. Накопление холодных пород на морском дне может охладить окружающие породы, отодвинув нижнюю границу мантии на большие глубины и сделав систему намного более сложной для интерпретации., она говорит.

Изучение недр Земли никогда не бывает легким. «Мы не можем туда попасть,— говорит Хьюстон. «Мы видим только то, что показывают нам волны землетрясения.Но поскольку методы определения местоположения и изучения землетрясений продолжают совершенствоваться, у ученых появляется больше шансов распутать таинственные грохоты в глубинах — усилия, которые обязательно откроют новые сюрпризы о нашей дрожащей планете.

«Данные,Биллен говорит:всегда подталкивают нас думать о Земле по-другому.”

Другой рекордный сейсмический инцидент, произошедший в 2018 году, показывает, что, возможно, такие события, как эти, и ряд других, находятся на подъеме и могут отражать великий сдвиг, происходящий на нашей планете.