深源地震成因新机制俯冲含水板片中的亚稳态橄榄石相变

　　我们熟知的具有极大破坏力的地震一般都属于浅源地震，即发生在地表至地下100公里深度的地震，比如最近发生在青海玛多以及云南漾濞的地震。浅源地震通常会伴随地面的断裂，是由于地壳岩石层的脆性断裂造成的。上世纪20年代，地质科学家发现，地震不仅存在于100公里以内的浅部，在地球内部，大于300公里的深部依然存在地震，这种地震被称为深源地震，通常发生在地球深俯冲板块的内部，由于发生位置很深，通常情况下不会像浅源地震那样造成严重灾害。
　　人类发现深源地震至今已有90多年的历史，尽管科学家们采用高温高压实验模拟和理论计算等方法对其机制进行了众多研究，但至今依然众说纷纭，仍然是困扰地质科学家的一个未解之谜。
　　在众多解释中，最广泛被接受的是亚稳态橄榄石的相变假说。所谓亚稳态橄榄石，是指存在于地球上地幔的主要矿物—橄榄石被带到地幔过渡带（地表以下约~410-660公里深度）深度时，由于温度，压力的增加，本应发生结构相变形成其高压相—瓦兹利石和林伍德石，但由于位于过渡带深度的俯冲板块内部的温度相对周围过渡带低约600摄氏度，该区域被称为俯冲带冷区。这种俯冲带冷区未能达到橄榄石相转变的温度，因此橄榄石以亚稳态存在，在这种较冷的环境下形成楔状分布。而一旦达到相变温度，亚稳态橄榄石会迅速发生相变形成体积更小的瓦兹利石和林伍德石，短时间内的相变引起的体积塌缩会引发俯冲板块的剪切断层，从而产生深源地震。
　　图释：深俯冲板片变形和滞流的形成及其与含水相脱水的联系。
　　但是这种解释的前提之一是俯冲板块是干燥的，亚稳态橄榄石也是不含水分的，因为研究表明水的存在会降低橄榄石向高压相的转变的温度而加速其相变，也就不会有亚稳态橄榄石。然而，我们知道水在地球内部的岩石圈中依然进行着循环：许多观测数据表明，＂水＂以羟基的形式存在于多种矿物中，因而连接海洋和地球内部的俯冲板块通常被认为是含水的。自然而然在含水的俯冲板块中，橄榄石也应该是含水的。那么，俯冲板片亚稳定橄榄石相变对于深源地震的解释似乎是矛盾的。
　　近日，北京高压科学研究中心的Takayuki Ishii（石井）研究员的最新研究发现，深源地震是由俯冲含水片内部亚稳态橄榄石的相变引起的，并指出前人认为的深源地震是深俯冲无水板块引起的观点是存疑的。他们的研究解决了多年来关于深部俯冲带中是否存在橄榄石以及其中橄榄石的存在形式等诸多争议，帮助我们距离揭开深源地震的神秘面纱更近了一步。相关研究以＂  Dry olivine can exist in a wet subducting slab, providing a new window to understand deep-focus earthquake and slab deformation  ＂为题于5月24日发表在  Nature Geosciences  上。
　　石井团队采用高温高压实验测定了俯冲板块冷区含水条件（大约8-12 万个大气压, 700-900摄氏度）下的橄榄石的含水率。他们发现在此条件下，水会优先进入与其共存的其他硅酸盐中而结晶形成含水矿物（hydrous phase A，即含水相A），而橄榄石仍然保持不含水＂干燥＂的状态，因此证实了橄榄石在含水的俯冲带冷区的确可以以亚稳态形式存在。同时含水相A的优先形成与之前人们对水在矿物中分配的理解截然相反：前人研究认为橄榄石会优先容纳水，当存在过量水时，其他含水矿物才形成。
　　另外他们发现当温度增加到约1000摄氏度时，含水矿物，如含水相A开始脱水。与此同时，高温下橄榄石依然能够吸收大量的由矿物脱水形成的自由水。因而会加速橄榄石向其高压结构的转变，从而引发俯冲板块的变形及深源地震。
　　图释：含水相A在高温下脱水以及镁橄榄石的含水量伴随温度的变化。
　　这些发现意味着含水矿物在地球内部的水循环中扮演着重要的角色。含水矿物不仅是向地球内部输送水的载体，而且对俯冲板块的弯曲，停滞，以及深源地震的发生也起着重要的作用。这些结果有望为全面了解板块俯冲行为，包括深部地震和深部地幔大变形的发生提供重要线索。
　　参考文献：
　　https://www.nature.com/articles/s41561-021-00756-7