一塊看似普通的小石頭真的能引發(fā)強(qiáng)烈的地震嗎？有些地震，震源深達(dá)數(shù)百公里，穿越厚重的巖石層，卻依然能讓數(shù)千公里外的建筑物感受到強(qiáng)烈的搖晃。例如，1994年發(fā)生在南美洲玻利維亞的8.3級(jí)深源地震，震源深度達(dá)到640公里。盡管此次地震未引起破壞，但在西半球大部分地球有感。

這些深源地震的成因長(zhǎng)期以來(lái)一直是地球科學(xué)領(lǐng)域的難題?？茖W(xué)家們一直未能找到足夠的證據(jù)來(lái)解答這一謎團(tuán)，直到他們發(fā)現(xiàn)了地球地幔中的一種關(guān)鍵礦物——橄欖石。

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什么是深源地震？

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，科學(xué)家們就已經(jīng)知道在地球幾百公里深處存在深源地震。在這個(gè)深度，壓力和溫度足以使巖石產(chǎn)生劇烈的物理變化，但卻無(wú)法像淺源地震那樣通過(guò)脆性斷裂引發(fā)地震。在300公里以下的地球深處，地震的發(fā)生頻率會(huì)迅速減少。然而，到了600公里深度，地震的發(fā)生頻率再次上升，并且在700公里深處，地震的發(fā)生則幾乎停止。

根據(jù)震源深度的不同，地震可以分為淺源地震、中源地震和深源地震。震源深度是指震源到地表的垂直距離，通常用來(lái)衡量地震的深淺。具體而言，震源深度在60千米以內(nèi)的地震為淺源地震，深度介于60千米到300千米之間的為中源地震，而震源深度大于300千米的則為深源地震（300千米的深度相當(dāng)于約34個(gè)珠穆朗瑪峰的高度）。

來(lái)源：搜狐網(wǎng)

通常情況下，對(duì)于相同震級(jí)的地震，震源越淺，地表建筑物的破壞力越強(qiáng)。相比之下，深源地震的破壞力較小，但震波傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)，能影響更廣泛的地區(qū)。

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橄欖石是什么？

橄欖石是一種常見(jiàn)的硅酸鹽礦物，主要由鎂和鐵等元素組成。它是地球地幔中最豐富的礦物之一，存在于地球深處的各種巖石中。橄欖石在地幔中的分布非常廣泛，從地幔部分熔融的物質(zhì)到俯沖的洋殼，幾乎無(wú)處不在。

巖石中的橄欖石 來(lái)源：百度網(wǎng)

雖然橄欖石本身并不直接引發(fā)地震，但其在地幔中的相變過(guò)程卻與地震的發(fā)生密切相關(guān)。當(dāng)橄欖石在高壓和高溫條件下發(fā)生相變時(shí)，其結(jié)構(gòu)的變化會(huì)導(dǎo)致能量積聚，最終可能觸發(fā)地震。

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深源地震為何會(huì)發(fā)生？

大家都知道地震通常在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，這使得在實(shí)驗(yàn)室中模擬這一過(guò)程非常困難。然而，近年來(lái)，科學(xué)家們通過(guò)在大型同步輻射設(shè)施SPring-8中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，模擬了地幔深處的高溫高壓條件。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橄欖石晶體在13GPa至16GPa的高壓和600至1100°C的高溫下發(fā)生相變時(shí)，會(huì)形成脆弱的納米顆粒層。這些納米顆粒層能夠積聚能量，當(dāng)其溫度瞬間達(dá)到約2400°C時(shí)，橄欖石熔化，從而形成斷層并引發(fā)地震。

深層地震震源分布在不穩(wěn)定態(tài)橄欖石楔形體的周?chē)?/p>

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不穩(wěn)定態(tài)橄欖石的作用？

在地幔的過(guò)渡帶（深度約410公里至660公里）中，橄欖石經(jīng)歷了多個(gè)重要的相變過(guò)程。這些相變并非靜止的過(guò)程，而是極其活躍且具有地震學(xué)意義的動(dòng)態(tài)變化。根據(jù)2024年發(fā)表在《自然地球科學(xué)》的一篇論文，橄欖石在高壓下會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌牡V物形式。具體來(lái)說(shuō)，在13GPa至16GPa的壓力范圍內(nèi)，橄欖石轉(zhuǎn)變?yōu)橥咂澙?；?dāng)壓力升高至19GPa時(shí)，瓦茲利石進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)榱治榈率?；最終在24GPa的極高壓力下，林伍德石會(huì)分解為布里奇曼石和鐵方鎂石。

這些相變過(guò)程不僅是地球內(nèi)部的物理變化，也是與深層地震活動(dòng)密切相關(guān)的關(guān)鍵因素。研究表明，地幔過(guò)渡帶的異常地震頻率與這些礦物的相變緊密相關(guān)。

瓦茲利石和斷層橄欖石 a.在 14 GPa 壓力和 1,400 oC 溫度下合成的瓦茲利石的光學(xué)顯微鏡圖像。b.在 15.5 GPa 和 830 oC 下變形的多晶橄欖石中形成的斷層泥層的掃描透射電子顯微鏡圖像，該層填充有橄欖石和瓦茲利石的納米顆粒。

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為什么下地幔沒(méi)有地震？

與上地幔和地幔過(guò)渡帶不同，下地幔幾乎是一個(gè)“寂靜的世界”。在這個(gè)區(qū)域，幾乎沒(méi)有發(fā)生地震?？茖W(xué)家們至今無(wú)法解釋為何在這個(gè)區(qū)域，橄欖石的深層轉(zhuǎn)變不會(huì)引發(fā)地震。下地幔的物理?xiàng)l件與上地幔和地幔過(guò)渡帶存在顯著差異，這使得在該區(qū)域的實(shí)驗(yàn)研究變得異常困難。因此，關(guān)于下地幔是否存在某種未被發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)變機(jī)制，仍然是一個(gè)謎。

地震的探索仍待進(jìn)一步深入

雖然科學(xué)家們已在模擬橄欖石相變對(duì)地震影響方面取得了進(jìn)展，但深層地震的研究仍面臨顯著不足。地幔深處極端的壓力和溫度條件使得相關(guān)實(shí)驗(yàn)非常困難，尤其是在高壓環(huán)境下模擬震源深度所需的條件。盡管高壓生成技術(shù)有了進(jìn)步，仍無(wú)法完美復(fù)制地幔深處的復(fù)雜環(huán)境，限制了對(duì)深層地震機(jī)制的全面理解。

未來(lái)，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算模擬方法的不斷提升，科學(xué)家們有望突破現(xiàn)有瓶頸，進(jìn)一步揭示深層地震的成因，填補(bǔ)現(xiàn)有研究中的空白，推動(dòng)這一領(lǐng)域的深入探索。

參考文獻(xiàn)

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來(lái)源：石頭科普工作室

編輯：魏玉鑫

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