小小石头竟然能引发地震？

一块看似普通的小石头真的能引发强烈的地震吗？有些地震，震源深达数百公里，穿越厚重的岩石层，却依然能让数千公里外的建筑物感受到强烈的摇晃。例如，1994年发生在南美洲玻利维亚的8.3级深源地震，震源深度达到640公里。尽管此次地震未引起破坏，但在西半球大部分地球有感。

这些深源地震的成因长期以来一直是地球科学领域的难题。科学家们一直未能找到足够的证据来解答这一谜团，直到他们发现了地球地幔中的一种关键矿物——橄榄石。

01

什么是深源地震？

自20世纪70年代以来，科学家们就已经知道在地球几百公里深处存在深源地震。在这个深度，压力和温度足以使岩石产生剧烈的物理变化，但却无法像浅源地震那样通过脆性断裂引发地震。在300公里以下的地球深处，地震的发生频率会迅速减少。然而，到了600公里深度，地震的发生频率再次上升，并且在700公里深处，地震的发生则几乎停止。

根据震源深度的不同，地震可以分为浅源地震、中源地震和深源地震。震源深度是指震源到地表的垂直距离，通常用来衡量地震的深浅。具体而言，震源深度在60千米以内的地震为浅源地震，深度介于60千米到300千米之间的为中源地震，而震源深度大于300千米的则为深源地震（300千米的深度相当于约34个珠穆朗玛峰的高度）。

来源：搜狐网

通常情况下，对于相同震级的地震，震源越浅，地表建筑物的破坏力越强。相比之下，深源地震的破坏力较小，但震波传输的距离更远，能影响更广泛的地区。

02

橄榄石是什么？

橄榄石是一种常见的硅酸盐矿物，主要由镁和铁等元素组成。它是地球地幔中最丰富的矿物之一，存在于地球深处的各种岩石中。橄榄石在地幔中的分布非常广泛，从地幔部分熔融的物质到俯冲的洋壳，几乎无处不在。

岩石中的橄榄石 来源：百度网

虽然橄榄石本身并不直接引发地震，但其在地幔中的相变过程却与地震的发生密切相关。当橄榄石在高压和高温条件下发生相变时，其结构的变化会导致能量积聚，最终可能触发地震。

03

深源地震为何会发生？

大家都知道地震通常在极短的时间内发生，这使得在实验室中模拟这一过程非常困难。然而，近年来，科学家们通过在大型同步辐射设施SPring-8中开展实验，模拟了地幔深处的高温高压条件。研究发现，当橄榄石晶体在13GPa至16GPa的高压和600至1100°C的高温下发生相变时，会形成脆弱的纳米颗粒层。这些纳米颗粒层能够积聚能量，当其温度瞬间达到约2400°C时，橄榄石熔化，从而形成断层并引发地震。

深层地震震源分布在不稳定态橄榄石楔形体的周围

04

不稳定态橄榄石的作用？

在地幔的过渡带（深度约410公里至660公里）中，橄榄石经历了多个重要的相变过程。这些相变并非静止的过程，而是极其活跃且具有地震学意义的动态变化。根据2024年发表在《自然地球科学》的一篇论文，橄榄石在高压下会发生结构变化，转变为不同的矿物形式。具体来说，在13GPa至16GPa的压力范围内，橄榄石转变为瓦兹利石；当压力升高至19GPa时，瓦兹利石进一步转变为林伍德石；最终在24GPa的极高压力下，林伍德石会分解为布里奇曼石和铁方镁石。

这些相变过程不仅是地球内部的物理变化，也是与深层地震活动密切相关的关键因素。研究表明，地幔过渡带的异常地震频率与这些矿物的相变紧密相关。

瓦兹利石和断层橄榄石 a.在 14 GPa 压力和 1,400 ºC 温度下合成的瓦兹利石的光学显微镜图像。b.在 15.5 GPa 和 830 ºC 下变形的多晶橄榄石中形成的断层泥层的扫描透射电子显微镜图像，该层填充有橄榄石和瓦兹利石的纳米颗粒。

05

为什么下地幔没有地震？

与上地幔和地幔过渡带不同，下地幔几乎是一个“寂静的世界”。在这个区域，几乎没有发生地震。科学家们至今无法解释为何在这个区域，橄榄石的深层转变不会引发地震。下地幔的物理条件与上地幔和地幔过渡带存在显著差异，这使得在该区域的实验研究变得异常困难。因此，关于下地幔是否存在某种未被发现的转变机制，仍然是一个谜。

地震的探索仍待进一步深入

虽然科学家们已在模拟橄榄石相变对地震影响方面取得了进展，但深层地震的研究仍面临显著不足。地幔深处极端的压力和温度条件使得相关实验非常困难，尤其是在高压环境下模拟震源深度所需的条件。尽管高压生成技术有了进步，仍无法完美复制地幔深处的复杂环境，限制了对深层地震机制的全面理解。

未来，随着实验技术和计算模拟方法的不断提升，科学家们有望突破现有瓶颈，进一步揭示深层地震的成因，填补现有研究中的空白，推动这一领域的深入探索。

参考文献

[1] 许忠淮（2024）.世界著名大地震.中国大百科全书,具体参见：https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=571031

[2] 深源地震：橄榄石→尖晶石相变诱发断层[J].地学前缘,1995,(01):19-25.

[3] Ohuchi, T. Olivine’s trembling transformations. Nat. Geosci. 17, 958 (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01547-6

[4] Ohuchi, T., Higo, Y., Tange, Y. et al. In situ X-ray and acoustic observations of deep seismic faulting upon phase transitions in olivine. Nat Commun 13, 5213 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32923-8

来源：石头科普工作室

编辑：魏玉鑫

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号