古老的岩石有助于理解地震之间的构造活动

拓破天峙

一个俯冲带的块状模型，去掉了一部分前弧，露出了下降板块的顶部。红色虚线是等温线。粉色斑块代表扩散质量转移加速下盘变形的位置（DMT）。下盘的应变率从发震区的顶部到底部平均增加，在那里出现了适应板块速率的稳定应变。信用:科学进展（2024年）。DOI: 10.1126/sciadv .阿迪7279

（）据宾夕法尼亚州立大学马特·卡罗尔：宾夕法尼亚州立大学和布朗大学的一个研究小组表示，曾经深埋在古代俯冲带（构造板块碰撞的地方）的岩石可以帮助科学家更好地预测这些俯冲带在大地震之间的表现。

研究人员在《科学进展》杂志上报道说，来自阿拉斯加和日本岩层的线索使科学家们能够开发一种新的模型来预测俯冲带的压力溶解活动。

沉积岩由被含水孔隙包围的颗粒组成。当岩石在巨大的压力下挤压在一起时，颗粒在其边界溶解到孔隙中的水中，形成压力溶液。这使得岩石变形或改变形状，影响构造板块如何相互滑动。

宾夕法尼亚州立大学地球科学教授通讯作者·唐纳德·费希尔说:“这就像你去滑冰一样——表面的冰刃最终会融化冰，从而使你可以滑行。”“在岩石中，发生的情况是石英颗粒在受力接触时溶解，溶解的物质移动到裂缝中沉淀。”

世界上最强烈的地震发生在俯冲带，在那里一个构造板块滑动到另一个板块之下。当这些板块粘在一起时，地壳中就会产生应力——就像橡皮筋被拉伸一样。当足够的压力积累起来克服将板块结合在一起的摩擦力时——就像橡皮筋断裂一样——地震就发生了。

费舍尔说:“我们已经证明，在俯冲带的地震间歇期，压力溶解是一个基本过程。”“这种压力解的出现确实会影响孕震区不同部分积累的弹性应变的量。”

费希尔说，压力解决方案很难在实验室中探索，因为它通常在数千年至数百万年内缓慢发生。在实验室中加速这一过程需要更高的温度，这会在岩石中产生其他影响实验的变化。

科学家们转而研究曾经经历过这些构造压力、后来被地质作用带到地表的岩石。科学家们说，这些岩石显示出微观剪切——或由应变引起的断裂——包含为压力溶解提供证据的纹理。

“这项工作使我们能够测试一种流动定律或模型，它描述了曾经在板块边界向下并被挖掘到表面的古老岩石中的压力溶解速率，”费舍尔说。“我们可以将这一点应用于目前正在变动的活跃利润率。”

另一组科学家此前的研究将岩石承受的应力与应变率（即它们变形的程度）联系起来。在这项新工作中，费舍尔和他的同事、布朗大学教授格雷格·希斯（Greg Hirth）创建了一个更详细的模型，考虑了岩石的粒度和溶解度等因素，或者有多少岩石物质可以溶解到液体中。

“我们能够以一种前所未有的实用方式将溶解度参数化为温度和压力的函数，”Fisher说。“所以现在我们可以代入数字——不同的晶粒尺寸、不同的温度、不同的压力，并从中得出应变率。”

这些结果有助于揭示地震层（大多数地震发生的深度范围）中应变发生的位置。

研究人员将他们的模型应用于卡斯卡迪亚俯冲带，这是一条活跃的断层带，从加州北部延伸到加拿大，经过波特兰、俄勒冈州、西雅图和不列颠哥伦比亚省温哥华等主要城市。

科学家们说，沿着板块边界的温度和形成的应变量在那里得到了很好的研究，他们的模型结果与基于卫星观测的地壳运动相匹配。

“卡斯卡迪亚是一个很好的例子，因为它处于地震间歇期的晚期——距离上次大地震已经过去了300年，”费舍尔说。“我们可能会在有生之年经历一次地震，这将是北美预计可能发生的最大自然灾害，可能会引发地震和海啸。”