Zasady fizyki klasycznej sugerują, że aktywność sejsmiczna powinna maleć wraz z głębokością. W miarę jak schodzimy coraz głębiej w głąb płaszcza Ziemi, ogromne ciśnienie wywierane przez nadkład skalny powoduje, że uskoki stają się “zatarte” – tarcie jest zbyt wielkie, by mogło dojść do nagłego przesunięcia warstw. Tymczasem dane sejsmologiczne od lat pokazują coś przeciwnego: w tzw. strefie przejściowej płaszcza, rozciągającej się na głębokościach od 410 do 600 kilometrów, następuje gwałtowny wzrost liczby i siły trzęsień ziemi. Jest to szczególnie widoczne w miejscach, gdzie chłodne płyty oceaniczne nurkują pod inne płyty tektoniczne, wchodząc głęboko w gorący płaszcz – proces ten nazywamy subdukcją.
Oliwin i tajemnica strefy przejściowej
Kluczem do zrozumienia tego zjawiska jest oliwin, najpowszechniejszy minerał górnego płaszcza Ziemi. Naukowcy od ponad czterdziestu lat przypuszczali, że głębokie trzęsienia ziemi są wywoływane przez przemiany fazowe tego minerału pod wpływem ekstremalnego ciśnienia. Dominujący model, zwany „uskokowaniem transformacyjnym”, zakładał, że oliwin w pewnym momencie gwałtownie zmienia swoją strukturę krystaliczną w gęstszy ringwoodyt, co prowadzi do lokalnej utraty stabilności skały i wstrząsu.
Czytaj także: Gigantyczna mapa wnętrza Ziemi ujawnia sekretne życie płyt tektonicznych 2900 kilometrów pod naszymi stopami
Problem polegał na tym, że w najzimniejszych fragmentach tonących płyt litosfery – takich jak te znajdujące się pod Rowem Mariańskim, gdzie temperatura wynosi około 600°C – tradycyjny proces powstawania ringwoodytu zachodzi niezwykle wolno. Mechanizm ten opiera się bowiem na dyfuzji atomów, która w tak „niskich” (z perspektywy geologii głębokiej) temperaturach jest zbyt mało wydajna, by doprowadzić do nagłego pęknięcia skaly. Teoretycznie więc w najzimniejszych rdzeniach płyt subdukcyjnych trzęsień być nie powinno, a jednak one tam występują.
Poirierite: brakujące ogniwo w strukturze kryształu
Zespół badawczy pod kierownictwem Kohei Matsudy przedstawił dowody na istnienie alternatywnej ścieżki transformacji, która nie wymaga powolnej dyfuzji. Jest to tzw. bezdyfuzyjna przemiana pseudomartenzytyczna, czyli nagłe „przesunięcie” struktur atomowych wewnątrz kryształu pod wpływem naprężeń ścinających. W tym procesie kluczową rolę odgrywa poirierite – rzadka, pośrednia faza strukturalna, która tworzy się podczas przejścia oliwinu w ringwoodyt.
Naukowcy przeprowadzili zaawansowane eksperymenty deformacyjne na metastabilnym oliwinie w warunkach ciśnienia i temperatury odpowiadających tym panującym w głębokich płytach subdukcyjnych. Wyniki były zdumiewające. W pobranych po eksperymencie próbkach „mączki uskokowej” (materiału powstałego w wyniku tarcia w szczelinie uskoku) odnaleziono ziarna poirierite’u. Co istotne, ich orientacja krystalograficzna była idealnie zgodna z modelami teoretycznymi przemian bezdyfuzyjnych, co potwierdziło, że to właśnie ten proces zachodzi we wnętrzu Ziemi.
Ciepło utajone i mechanizm osłabienia skał
Dlaczego jednak sama zmiana minerału prowadzi do trzęsienia ziemi? Badacze odkryli, że transformacja poirierite’u w ringwoodyt jest procesem egzotermicznym, co oznacza, że uwalnia ona znaczne ilości ciepła utajonego. To gwałtowne wydzielenie energii termicznej drastycznie osłabia strukturę skały w strefie uskoku, czyniąc ją bardziej plastyczną i podatną na nagłe poślizgi, nawet bez udziału procesów zależnych od wielkości ziarna (tzw. pełzania dyfuzyjnego).
Czytaj także: Tajemnice wnętrza Ziemi skrywają wiele nieznanych zjawisk. O tej teorii świat nauki nie mówi głośno
Odkrycie to jest przełomowe, ponieważ wyjaśnia, dlaczego aktywność sejsmiczna jest tak wysoka w silnie zdeformowanych, a zarazem „zimnych” obszarach płyt subdukcyjnych. Bezdyfuzyjna przemiana oliwinu w ringwoodyt poprzez fazę pośrednią poirierite’u działa skutecznie w szerokim zakresie temperatur – nie tylko tam, gdzie jest bardzo gorąco, ale przede wszystkim w miejscach, które dotąd uważano za zbyt chłodne na tak dynamiczne procesy.
Nowy rozdział w geofizyce
Praca opublikowana przez zespół Matsudy dostarcza spójnego, fizycznego wyjaśnienia zagadki, która nurtowała naukowców od dekad. Zrozumienie roli poirierite’u pozwala nie tylko lepiej opisać procesy zachodzące setki kilometrów pod naszymi stopami, ale także precyzyjniej modelować dynamikę całej planety. Choć trzęsienia ziemi na takich głębokościach rzadko powodują bezpośrednie zniszczenia na powierzchni, są one kluczowym wskaźnikiem tego, jak Ziemia „recyclinguje” swoją litosferę i jak energia przepływa między jej najgłębszymi warstwami.
Odkrycie to stanowi kolejny dowód na to, że nawet w najbardziej ekstremalnych warunkach to mikrostruktura minerałów i subtelne zmiany na poziomie atomowym decydują o globalnych zjawiskach, które kształtują naszą planetę. Dla naukowców otwiera to nowe pole badań nad innymi przemianami fazowymi, które mogą zachodzić jeszcze głębiej – w dolnym płaszczu Ziemi.
