Szokatlanul nagy fészekmélységű földrengésről számol be a Live Science tudományos ismeretterjesző portál. A valaha észlelt legmélyebb földrengés a felszín alatt 751 kilométer mélységben pattant ki a Japánhoz tartozó Bonin-szigetek (más néven Ogaszavara-szigetek) közelében, a 2015. május 30-i 7,9 magnitúdó erősségű földmozgás utórengéseként. Az alsó fölköpenyben keletkezett rendkívül gyenge utórengés csak műszerek segítségével volt érzékelhető. Észlelése a jelenleg működő legérzékenyebb földrengésjelző rendszer, a japán Hi-net hálózat segítségével történt. Az eseményről a Geophysical Research Letters 2021. júniusi számában közöltek tanulmányt Eric Kiser és munkatársai. Ahhoz, hogy az észlelés hitelessé váljék, a hipocentrum mélységére vonatkozó adatot más kutatócsoportoknak is meg kell erősíteniük.
A szeizmológusok eddigi álláspontja szerint az alsó köpenyben nem pattanhatnak ki földrengések, mivel az ottani rendkívül magas nyomás alatt a kőzetek inkább elhajlanak, deformálódnak, ellentétben a felszínközeli földrengésekkel, amelyek keletkezésekor a kőzetek hirtelen energiafelszabadulással járó törést szenvednek. Ám úgy tűnik, az ásványok néha nem a kutatók elvárásainak megfelelően viselkednek, és előfordulhat, hogy eredeti tulajdonságaik egy részét megőrzik a rengések keletkezése számára kedvezőtlen magas nyomás alatt is. „Hogy meg kellene változniuk, nem azt jelenti, hogy valóban meg is változnak” – nyilatkozta Pamela Burnley, a Las Vegas-i Nevada Egyetem professzora. A köpeny alsó részében keletkezett földrengés arra enged következtetni, hogy a Föld belső szerkezetében kialakult határfelületek kevésbé élesek, mint eddig gondolták.
Túl minden határon
A nagy fészekmélységű földrengések mindig is fejtörést okoztak a kutatóknak. A földmozgások többsége a földkéregben vagy a földköpeny felső részében pattan ki, a felszíntől számított száz kilométernél sekélyebb mélységben. Az átlagosan húsz kilométer vastagságú földkérget hideg és törékeny kőzetek alkotják. Ilyen körülmények között már a kőzetek csekély elhajlása következtében törés áll be, és energia szabadul fel. Nagyobb mélységekben a magas hőmérséklet és a nagy nyomás következtében a kőzetek kevésbé törékenyek. Itt azért keletkeznek földrengések, mert a nagy nyomás kiszorítja a kőzetek pórusait kitöltő folyadékot. Burnley professzor szerint ilyen körülmények között a kőzetek újból törékennyé válnak.
Ezek a folyamatok választ adhatnak a 400 kilométernél alacsonyabb mélységben létrejövő földrengések keletkezésével kapcsolatos kérdésekre, de a kipattanási pontok még mindig csak a felső köpeny tartományába esnek. Tény viszont, hogy a Bonin-szigeteki rengés előtt már többször észleletek az alsó köpenyben, 670 kilométer mélységben keletkező földrengéseket. Ezeket a földmozgásokat mind a mai napig rejtély övezi. A vizet tartalmazó pórusok ebben a mélységben már teljesen összenyomódtak, a folyadék kiszorulása már nem játszhat szerepet a földrengés keletkezésében.
„Véleményünk szerint ebben a mélységben a víz teljesen kipréselődött, törékeny kőzetekről szó sem lehet. A jelenségre máig nincs kielégítő magyarázat” – mondta Pamela Burnley.
Átalakuló ásványok
A 400 kilométernél mélyebben keletkező fölrengések esetében ismernünk kell a nagy nyomás alatt álló ásványok tulajdonságait. A földköpeny jelentős részét egy zöld színű ásvány, az olivin alkotja. Ebben a mélységben a nagy nyomás következtében az olivin atomjai átrendeződnek, és kékes színű wadsleyit keletkezik. Száz kilométerrel mélyebben a wadsleyit ringwoodittá alakul. Végül, 680 kilométer mélységben a ringwooditból két különböző ásvány keletkezik: a bridgmanit és a perikláz. A földköpenyben végbemenő folyamatokat a kutatók nem tudják közvetlenül tanulmányozni, de laboratóriumi körülmények között, extrém magas nyomáson elő tudják idézni ezeket az átalakulásokat a Föld felszínén is. Mivel a földrengéshullámok különböző ásványi közegekben eltérő módon terjednek, a geofizikusok a nagy erejű földrengések által okozott hullámokat tanulmányozva valószínűsítik ezeknek az állapotváltozásoknak a bekövetkeztét.
Az utolsó ásványátalakulás a felső köpeny határát jelöli, ez alatt már az alsó köpeny található. Burnley szerint számunkra nem az ásványok neve fontos, hanem az, hogy egymástól eltérő módon viselkednek. A jelenség hasonlít ahhoz, amit a grafit és a gyémánt esetében is megfigyelhetünk. Minkét anyag alkotó eleme a szén, de az atomok térbeli elhelyezkedése különböző. A grafit kristályszerkezete a Föld felszínéhez közel, míg a gyémánté a köpeny mélyén kialakuló stabil forma. A két anyag tulajdonságai jelentősen különböznek egymástól: a grafit puha, szürke és rétegei könnyen elcsúsznak, a gyémánt pedig rendkívül kemény és világos színű. Az olivin is hasonlóképpen veszi fel a magas nyomáshoz alkalmazkodó változatait, egyre képlékenyebbé válik, és kisebb valószínűséggel keletkeznek benne földrengést előidéző törések.
Az 1980-as évekig a geológusokat megoldatlan rejtély elé állították a felső köpenyben kipattanó földrengések. Ekkor Burnley és Harry Green minerológus megtalálta a jelenség egyik lehetséges magyarázatát. Kísérleteik során megfigyelték, hogy az olivin átalakulási folyamata nem mindig a fent ismertetett módon megy végbe. Bizonyos körülmények közt az olivin nem wadsleyitté, hanem közvetlenül ringwoodittá alakul. Ez utóbbi átalakulás során – megfelelő nyomás alatt – az ásvány nem hajlik, hanem törik. A jelenség magyarázatul szolgálhat a 400 kilométernél mélyebben kialakuló földrengések keletkezésére.
Nagyobb mélységekben
A Bonin-szigeteki földmozgás ennél is mélyebben, a felszíntől 751 kilométerre, az alsó köpenyben pattant ki.
Egyik lehetséges magyarázat a jelenségre az, hogy a bonini régióban a felső és az alsó köpeny közötti határ nem pontosan ott húzódik, ahol a szeizmológusok meghatározták – mondta Heidi Houston, a Dél-Kaliforniai Egyetem geofizikusa. A Bonin-szigeteki térség szubdukciós övezetben fekszik, ahol az óceáni kéreglemez egy kontinentális lemez alá bukik.
„Ez egy komplikált térség, nem tudjuk pontosan, hol húzódik itt a felső és az alsó köpeny közötti határ” – nyilatkozta Houston a Live Science-nek.
A tanulmány szerzői úgy vélik, hogy az alábukás során a kéreglemez rátolódott az alsó köpenyre, és az így kifejtett erő által keltett magas hő és nyomás következtében a kőzetekben rendellenes törés állt be. Burnley azt feltételezi, hogy az ásványok valószínűleg rosszul (vagy legalábbis furcsán) viselkednek. A Föld középpontja felé hatoló kontinentális kéreg sokkal hidegebb az azt körülvevő ásványoknál, így a kéreglemezt alkotó ásványok nem érik el azt a hőmérsékletet, amelyen az adott nyomásra jellemző állapotváltozások bekövetkezhetnek.
A jelenségre példaként Burnley megint csak a gyémántot és a grafitot hozza fel. A gyémánt nem stabil, azaz a Föld felszínén nem keletkezik spontán módon, viszont nem alakul át grafittá, ha gyűrűbe csiszoljuk. Ez azzal magyarázható, hogy a szénatomoknak bizonyos mennyiségű energiára van szükségük ahhoz, hogy átrendeződjenek, de a Föld felszínén uralkodó hőmérsékleten ez az energia számukra nem elérhető (hacsak röntgenlézerrel nem bombázzuk a gyémántot).
Valószínűleg valami hasonló folyamat megy végbe nagy mélységekben az olivinnal, mondta Burnley. Az ásvány elég nagy nyomásnak van kitéve ahhoz, hogy képlékennyé váljék, de ha – például egy nagy és hideg kontinentális kéregdarab miatt – nincs meg a szükséges hőmérséklet, nem alakul át, és megmarad törésre hajlamos olivinnak. Ez lehetséges magyarázatként szolgál arra, hogyan keletkezhet földrengés az alsó köpenyben. Valójában nincs ott akkora forróság, mint a tudósok gondolják.
„Úgy vélem, ha az anyag elég hideg ahhoz, hogy energiát halmozzon fel, majd azt hirtelen földrengés formájában felszabadítsa, akkor elég hideg ahhoz is, hogy az olivin elsődleges struktúráját megőrizze” – mondta Burnley.
Houston szerint bármi legyen is a kiváltó ok, nem valószínű, hogy ilyen rengések gyakran bekövetkeznek. A szubdukciós övezeteknek körülbelül a felénél keletkeznek nagy fészekmélységű földrengések, és az extrém mélységből érkező utórengést kiváltó Bonin-szigeteki rengéshez hasonló nagyon erős földmozgásokat átlagosan ötévente egy alkalommal észlelnek.
