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没有比这更深刻的了

类别:日本|板块构造论|日本海沟

2015年5月30日

当地时间周六晚上,东京的摩天大楼摇晃,电力中断,火车停运,人们担心会发生最坏的情况。记忆中的大地震2011年3月还是太新鲜了。四年前,一场巨大的海啸淹没了日本东海岸,导致福岛核电站反应堆部分熔毁。但在周六的一分钟左右的焦虑之后,没有发布海啸警报,日本标志性的高速铁路新干线(Shinkansen)上的列车重新开始运行。尽管地震强度登记为7.8级-与破坏性相同尼泊尔事件一个月前,只有几人受伤,几乎没有任何损失报告。

显示地震位置和俯冲板块横切面的地图。

周六的地震(黄星)发生在日本群岛南部和日本海沟西部的小笠原弧。它发生在420多英里深的海底。(点击查看大图)

地震过后,日本人还在继续他们平常的周末工作,但是全世界的地震学家都怀着敬畏和绝对的惊讶看着这次地震的记录:周六的地震是有测量过的规模最大的地震。根据监测地球地震活动的各个观测站的科学家们的计算,这次地震的震源在地表以下418到433英里之间,从而创造了7级或以上深震的世界新纪录。

这样的深度地震不仅是罕见的,而且与大多数其他地震活跃区的浅层地震相比,它们的机制是一种物理上的奇怪。深度地震只发生在世界上很少的地区——在那里,一个漂浮在地球表面的构造板块沉入到另一个板块之下,并淹没在地球的地幔中。在加州,地壳板块以粘滑的方式相互滑动。然而,在环太平洋地区的其他地方,其中一个板块会潜入地幔深处,这就是所谓的俯冲带。阿拉斯加和阿留申群岛,日本,菲律宾,以及斐济,汤加和萨摩亚的南海岛屿——它们都有自己的俯冲带,太平洋板块在那里向地球深处数百英里。

看看常规地震的机制,即地壳上部的脆性岩石断裂,地震根本不应该发生在这样的深度。那里的温度达到了华氏几千度,即使在上覆地层施加的压力下,也会使岩石变得像橡皮泥一样具有可塑性,或者以岩浆的形式完全熔化。脆性断裂在这种可塑岩石中根本不可能发生。但正如上周六的地震所显示的,这样的深度地震确实发生过。

下面发生了什么?有几种假说试图解释这种深震是如何产生的。最广泛使用的观点与某些岩石的矿物结构有关的体积变化有关。想象一下把一瓶啤酒放进冰箱的冷冻室。如果你把它放在那里太长时间,最后可能会弄得一团糟,因为瓶子已经碎了。原因:水(或啤酒)结冰时形成的冰的密度比水本身低。尽管差别只有7%,但当你把冰块加到饮料中时,它们会漂浮起来。这也意味着当一夸脱的水结冰时,产生的冰需要增加7%的体积。从水到冰的相变过程中产生的力大到足以打碎瓶子,如果瓶子没有给冰足够的空间的话。

类似的事情也发生在地幔中。在几百英里深的地方,橄榄石矿物经历相变,变成尖晶石。虽然这两种矿物质的化学性质像水和冰一样相同,但它们的密度却不同,也有7%左右。然而尖晶石比橄榄石密度大。因此,当橄榄石形成尖晶石时,它会在岩石中留下一个空隙,结果是内爆,从而使岩石突然坍塌。这一坍塌引发了一次异常深的地震。因为在450英里以下所有橄榄石都变成了尖晶石,在这个深度以下不会发生地震。(hra107)