美国加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)的一名工程学教授解决了地球物理学中最大的谜团之一:是什么导致了深聚焦地震?

 

这些神秘的地震发生在地表以下400 - 700公里，震级高达里氏8.3级。

 

加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院机械与航空航天工程系的杰出教授Xanthippi Markenscoff解开了这个谜团。她的论文《深层地震中的体积崩塌不稳定性:由压力核化和驱动的剪切源》发表在《固体力学和物理杂志》上。天富注册

 

“深聚焦地震”一词是指这种类型的地震产生于地幔深处，那里的压力非常高。自1929年首次发现深聚焦地震以来，研究人员一直在试图了解引发地震的过程。研究人员认为，高压会产生内爆，从而直观地产生压力波。然而，他们还不能把高压和特定类型的地震波——被称为切变(或扭曲)地震波——之间的点联系起来，这种地震波是由深聚焦地震产生的。(你可以感觉到扭曲的能量，如果你握住你的前臂，然后扭转它。)

 

Xanthippi Markenscoff

 

Xanthippi Markenscoff是加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院机械与航空航天工程系的杰出教授。信贷:Xanthippi Markenscoff

 

在她的新论文中，Markenscoff完成了她对这个发生在超高压力下的神秘现象的解释。她在2019年开始的一系列论文中解开了这个谜团。此外，她的解决方案还让我们深入了解了许多其他现象，比如行星撞击和行星形成，这些现象都有类似的地球物理过程。

 

“这是一个完美的例子，证明了严格植根于力学和物理学的数学建模可以帮助我们解决自然界的奥秘。Markenscoff教授的工作不仅对我们如何理解深度地震有深远的影响，而且对我们如何在工程材料中可控地使用动态相变对我们有益，”高华坚说。他是新加坡南洋理工大学的著名教授，也是《固体力学与物理》杂志的编辑，马肯斯科夫的论文就是在《固体力学与物理》杂志上发表的。天富注册链接

 

从转化岩石到地震

 

人们已经认识到，存在于地球表面400到700公里之间的高压可以使橄榄石经历相变，变成一种密度更大的岩石，称为尖晶石。这与煤转化为钻石的过程类似，钻石也发生在地幔深处。

 

当原子在巨大压力下相互靠近时，从橄榄石到更致密的尖晶石会导致岩石体积的减少。这可以称为“体积崩溃”。这种体积坍塌和相关的“转换断层”被认为是深震源地震的主要原因。然而，到目前为止，还没有一个基于体积崩塌的模型可以预测在深聚焦地震中实际到达地球表面的剪切(扭曲)地震波。因此，还考虑了其他模式，但事态仍然停滞不前。

 

通过发现高压下的不稳定性，马肯斯科夫已经用基础数学、物理和力学解决了这个谜题。一种不稳定关系到岩石扩展区域的形状，另一种不稳定关系到岩石的生长。

 

从橄榄石到尖晶石相变的扩展区域变大，这些密度大的相变区域将呈现扁平的“薄层状”形状，当密度大时，将密度区域在未转化介质中传播所需的能量降至最低。这是一种对称破环模式，它可以在深度地震产生的高压下发生，正是这种对称破环产生了剪切变形，导致了到达地球表面的横波。以前，研究人员假定保持对称性的球形膨胀不会产生横波。他们不知道对称性会被破坏。

 

Markenscoff说:“打破转化岩石形状的球形对称性，将相变传播区域变大所需的能量降至最低。”“你不用花费精力去移动一个大球体的表面，而只是移动它的周长。”

 

此外，Markenscoff解释说，在岩石相变膨胀区域内，没有粒子运动，也没有动能(这是一个“空隙”)，因此，