Ko pētniekiem atklāja dziļākā jebkad fiksētā zemestrīce  (2)

Par 2015. gada pazemes grūdieniem tika vēstīts šā gada jūnijā izdevuma "Geophysical Research Letters" publicētā pētījumā. Primārais grūdiens fisēts 680 kilometru dziļumā, bet pēcgrūdieni – aptuveni 750 kilometru dziļumā – jau tajā ģeosfērā, ko uzskata par apakšējo mantiju. Tas ir visnotaļ rets gadījums, jo šādā dziļumā milzu spiediena un karstuma dēļ ieži jau ir vairāk plastiski un mazāk trausli, proti, tie tendēti deformēties, bet nelūst, vēsta "National Geographic".

Taču ieži ne vienmēr uzvedas tā, kā tiem vajadzētu uzvesties, vietnei "Live Science" skaidro Nevadas Universitātes ģeomateriālu zinātņu profesore Pamela Bērnlija, kura ar konkrēto pētījumu nav tieši saistīta. Pat tādā karstumā un spiedienā, kur iežos esošajiem minerāliem vajadzētu pārvērsties citos minerālu tipos vai citās šo minerālu formās, tas ne vienmēr notiek."Tikai tāpēc vien, ka tiem vajadzētu mainīties, vēl nenozīmē, ka tie mainīsies," spriež Bērnlija. Superdziļā zemestrīce, šķiet, pētniekiem liks pārvērtēt to, cik droši varam novilkt robežas starp mūsu planētas slāņiem. Iespējams, šīs robežas ir daudz izplūdušākas nekā līdz šim gribējām uzskatīt.

Publikācija, kurā paziņots par 750 kilometru dziļumā fiksētajiem grūdieniem, ir Arizonas Universitātes seismologa Ērika Kisera vadītās grupas darbs. Grūdieni fiksēti ar Japānas "Hi-Net" seismisko staciju tīklu, kas ir jaudīgākā šobrīd lietotā sistēma. Lai zinātnieki būtu pavisam droši, ka Kisera grupa aprēķinos nav kļūdījusies un datus interpretējusi pareizi, vēlams gūt apstiprinājumus no citiem ar pētījumu nesaistītiem jomas ekspertiem, vietnei "Live Science" uzsver Dienvidkalifornijas Universitātes seismologs Džons Vidāls. Viņš gan atzīst, ka Kisera grupas darbs šķiet kvalitatīvs: "Viņi paveikuši labu darbu, tāpēc sliecos domāt, ka viņu secinājumi varētu būt korekti."

Ja grūdieni tik tiešām notikuši 750 kilometru dziļumā, zinātniekiem nāksies palauzīt galvu, kā tas iespējams. Vairums no tām zemestrīcēm, kas noved pie postažas te, virszemē, nav dziļākas par 100 kilometriem, proti, to hipocentrs ir mantijas pašā augšējā slānī, kur ieži ir cieti, trausli, gandrīz nav plastiski, tāpēc lūšanas brīdī spēji izdala daudz enerģijas. Iepriekš reģistrēti grūdieni arī daudz lielākā dziļumā.

Zemes garozas biezums atsevišķās vietās mainās, taču caurmērā tas ir vidēji ap 20 kilometriem. Šajā slānī ieži ir auksti un trausli. Tie plīst salīdzinoši viegli. Dziļāk mantijas augšējos slāņos temperatūra ir augstāka, arī spiediens ir jo dziļāk, jo lielāks. Ieži lielākā dziļumā ir karstāki un pakļauti šim lielajam spiedienam, un plīst retāk. Pamela Bērnlija skaidro, ka tas var notikt, ja milzu spiediena rezultātā no iežu porām tiek spiesti ārā tur esošie šķidrumi, rezultātā iežus pārplēšot. Taču aiz zināmas robežas spiediens jau ir tik liels, ka visām iežu porām teorētiski jau jābūt aizspiestām ciet, paliekot tikai blīvam materiālam bez porām, kurās uzkrāties šķidrumam. "Šādā dziļumā, mūsuprāt, visam ūdenim jau jābūt no porām izspiestam. Tādā dziļumā vairs nebūtu jānovēro iežu plīšana," par seismisko aktivitāti, kas fiksēta dziļāk par 600 kilometriem, spriež Bērnlija.

Tad kā iespējams, ka kas tāds noticis 750 kilometru dziļumā?

"Live Science" vietnē vienkāršoti pārstāstītas transformācijas, ko ieži piedzīvo dažādā dziļumā. Lielākā daļa mantijas sastāv no minerāla olivīna – tas ir spīdīgs un zaļš (attēlā).

^{Foto: Wilson44691, CC0, via Wikimedia Commons}

Aptuveni 400 kilometru dziļumā spiediena rezultātā olivīnā atomi ieņem jaunu ģeometrisku kārtību jeb struktūru, kā rezultātā rodas vadslejīts – zilganas krāsas minerāls. Vēl 100 kilometrus dziļāk, un tas atkal ieņem jaunu veidolu – ringvudītu. 680 kilometru dziļumā ringvudīts noārdās divos minerālos – bridžmanītā un periklasā. Protams, neviens tik dziļi Zemē nav ieracies – arī pasaulē dziļākais urbums Kolas pussalā, par ko savulaik "Campus" jau vēstīja, netika tālāk par 12 kilometriem, proti, pat netika līdz mantijai. Taču zinātnieki var aprēķināt aptuveno temperatūru un spiedienu dažādos dziļumos, un šos apstākļus tad reproducēt laboratorijās, tādējādi tepat, virszemē, izpētot, kādas transformācijas dažādos mantijas slāņos notiek iežos un minerālos. Pēc tam attiecīgi arī iespējams noskaidrot, kā caur dažāda tipa iežiem virzās seismiskie viļņi un vibrācijas.

Tieši pēdējā transformācijas robeža – aptuveni 680 kilometri – nereti uzskatīta par robežu, kur sākas apakšējā mantija.

Kā Bērnlija skaidro vietnei "Live Science", katra no šīm olivīna fāzēm arī "uzvedas" citādāk, par salīdzinājumu izmantojot grafītu un dimantu. Abi sastāv no oglekļa, bet abi ir ļoti atšķirīgi – grafīts ir mīksts un pelēks, dimants savukārt ir ārkārtīgi ciets un dzidrs. Arī olivīns dažādās fāzēs ir ar citām īpašībām – jo lielāka spiediena apstākļos (tātad dziļāk Zemes mantijā), jo mazāka varbūtība, ka tas lūzīs un plīsīs tādā veidā, kas var izraisīt pazemes grūdienus – zemestrīces.

Tieši Bērnlija ar savu doktora darba vadītāju Hariju Grīnu astoņdesmitajos gados bija tā, kas nāca klajā ar vienu no pirmajiem iespējamajiem izskaidrojumiem, kā vispār zemestrīces iespējamas arī augstākos mantijas slāņos. Eksperimentos laboratorijā Bērnlija un Grīns noskaidroja, ka olivīns ne allaž maina fāzes paredzami – dažos no laboratorijā radītajiem apstākļiem, piemēram, vadsleīta fāze tika izlaista pavisam, un olivīns uzreiz transformējās ringvudītā. Un šajā pārejas prosmā pie gana liela spiediena arī var notikt minerāla pārplīšana, nevis deformēšanās. Abi zinātnieki 1989. gada rakstā, kas publicēts izdevumā "Nature", izvirzīja versiju, ka tieši pietiekams spiediens olivīna pārejas fāzē uzreiz uz ringvudītu varētu būt mehānisms, kas izraisa grūdienus par 400 kilometriem lielākā dziļumā.

Pie Bonina salu grupas fiksētie grūdieni gan notika vēl krietni dziļāk – 750 kilometru dziļumā, kas jau skaitās apakšējā mantija. Viena no versijām ir tāda, ka, gluži kā Zemes augšējās garozas biezums nav vienmērīgs, tā arī nosacītā robeža starp augšējo un apakšējo mantiju dažādās pasaules vietās varētu atšķirties. Turklāt reģions pie Bonina salu grupas ir ģeoloģiski interesants – tā ir subdukcijas zona jeb vieta, kur liela izmēra litosfēras plātne iebīdās zem citas plātnes.

^{Foto: KDS4444, CC BY-SA 4.0 , via Wikimedia Commons}

Jaunā pētījuma autori spriež, ka subdukcijas rezultātā šī plātne varētu būt novietojusies uz robežas starp augšējo un apakšējo mantiju un spiest uz to tik stipri, ka rodas gana milzīgs spiediens un karstums, lai notiktu lūzumi tādā dziļumā, kur parasti tie nenotiek. Bērnlija savukārt uzskata, ka notikušais drīzāk izskaidrojams ar to pētījumu virzienu, kuru viņa aizsāka 80. gados, proti, minerālu netipiso "uzvedību". Kad kontinentālās plātnes šajās subdukcijas zonās bīdās zem citas plātnes un tiek virzītas arvien dziļāk pretī Zemes centram, sākotnēji šīs plātnes temperatūra ir daudz zemāka nekā apkārt esošie materiāli. Tas nozīmē, ka plātnē esošie minerāli var nebūt gana uzkarsuši, lai izietu cauri visām augstāk minētajām pārejas fāzēm. Proti, spiediens var būt pietiekams, taču temperatūra pārāk zema, lai olivīns būtu kļuvis par kādu no vieglāk deformējamiem minerāliem. Attiecīgi tas aizvien var spēji pārlūst un izraisīt pazemes grūdienus.

Vēl viena atziņa, ko no šī visa varam gūt – kamēr daļa zinātnieku veras kosmosa tālēs un pēta tālas galaktikas, aizvien arī daudz nezināmā par to, kas atrodas zem mūsu kājām. Zemes dzīļu izpēte ir tikpat aizraujoša kā Visuma plašumi.