แผ่นดินไหวที่ลึกที่สุดที่เคยตรวจพบน่าจะเป็นไปไม่ได้

นักวิทยาศาสตร์ตรวจพบแผ่นดินไหวที่ลึกที่สุดเท่าที่เคยมีมา โดยอยู่ห่างจากพื้นผิวโลก 751 กิโลเมตร

ความลึกนั้นทำให้แผ่นดินไหวในเสื้อคลุมด้านล่าง ซึ่งนักแผ่นดินไหววิทยาคาดว่าแผ่นดินไหวจะเป็นไปไม่ได้ นั่นเป็นเพราะว่าภายใต้แรงกดดันที่รุนแรง หินมักจะโค้งงอและทำให้เสียรูปมากกว่าที่จะแตกด้วยการปล่อยพลังงานอย่างกะทันหัน Pamela Burnley ศาสตราจารย์ด้าน geomaterials จาก University of Nevada ในลาสเวกัส ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัยกล่าวว่าแร่ธาตุไม่ได้ทำงานอย่างแม่นยำตามที่คาดไว้เสมอไป แม้ในสภาวะกดดันที่ควรเปลี่ยนเป็นสถานะต่างๆ ที่อาจเกิดแผ่นดินไหวน้อยลง แต่ก็อาจยังคงอยู่ในรูปแบบเก่า

“เพียงเพราะพวกเขาควรเปลี่ยนไม่ได้หมายความว่าพวกเขาจะเปลี่ยน” เบิร์นลีย์บอกกับ WordsSideKick.com สิ่งที่แผ่นดินไหวอาจเปิดเผยก็คือขอบเขตภายในโลกนั้นคลุมเครือกว่าที่พวกเขามักจะได้รับเครดิต

ข้ามพรมแดน  

แผ่นดินไหวที่รายงานครั้งแรกในเดือนมิถุนายนในวารสารGeophysical Research Lettersเป็นแผ่นดินไหวขนาดเล็กที่เกิดแผ่นดินไหวขนาด 7.9 แมกนิจูดที่เขย่าหมู่เกาะโบนินนอกแผ่นดินใหญ่ของญี่ปุ่นในปี 2558 นักวิจัยนำโดยนักธรณีวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยแอริโซนา Eric Kiser ตรวจพบแผ่นดินไหวโดยใช้คลื่นความถี่สูงของญี่ปุ่น -net อาร์เรย์ของสถานีแผ่นดินไหว อาร์เรย์เป็นระบบที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับการตรวจจับแผ่นดินไหวในการใช้งานในปัจจุบัน จอห์น วิเดล นักแผ่นดินไหววิทยาจากมหาวิทยาลัยเซาเทิร์นแคลิฟอร์เนียซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษากล่าว แผ่นดินไหวมีขนาดเล็กและไม่สามารถสัมผัสได้บนพื้นผิว จึงต้องใช้เครื่องมือที่มีความละเอียดอ่อนในการค้นหา 

Vidale บอกกับ WordsSideKick.com ว่าความลึกของแผ่นดินไหวยังคงต้องได้รับการยืนยันจากนักวิจัยคนอื่นๆ แต่การค้นพบนี้ดูน่าเชื่อถือ “พวกเขาทำได้ดีมาก ฉันเลยคิดว่ามันน่าจะใช่” วิเดลกล่าว

 

สิ่งนี้ทำให้การสั่นสะท้านกลายเป็นเรื่องน่าปวดหัว แผ่นดินไหวส่วนใหญ่เป็นแบบตื้น โดยเกิดขึ้นภายในเปลือกโลกและชั้นบนสุดภายใน 62 ไมล์แรก (100 กม.) ใต้พื้นผิว ในเปลือกโลกซึ่งแผ่ลงไปโดยเฉลี่ยเพียง 12 ไมล์ (20 กม.) ก้อนหินนั้นเย็นและเปราะ เมื่อหินเหล่านี้ได้รับความเครียด Burnley กล่าวว่าพวกเขาสามารถงอได้เพียงเล็กน้อยก่อนที่จะแตกออกโดยปล่อยพลังงานออกมาเหมือนสปริงขด ลึกลงไปในเปลือกโลกและชั้นปกคลุมด้านล่าง หินจะร้อนขึ้นและอยู่ภายใต้แรงกดดันที่สูงขึ้นซึ่งทำให้หินเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะแตกหักน้อยลง แต่ที่ระดับความลึกนี้ แผ่นดินไหวสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อความกดอากาศสูงดันรูพรุนที่เต็มไปด้วยของเหลวในหิน บังคับให้ของเหลวไหลออกมา ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ หินก็มีแนวโน้มที่จะแตกหักง่ายเช่นกัน Burnley กล่าว

ไดนามิกประเภทนี้สามารถอธิบายการสั่นไหวได้ไกลถึง 249 ไมล์ (400 กม.) ซึ่งยังคงอยู่ในชั้นบน แต่แม้กระทั่งก่อนเกิดอาฟเตอร์ช็อกที่เมืองโบนินในปี 2015 ก็มีการสังเกตแผ่นดินไหวที่เสื้อคลุมด้านล่าง ซึ่งลึกลงไปประมาณ 420 ไมล์ (670 กม.) การสั่นสะเทือนเหล่านั้นเป็นเรื่องลึกลับมานานแล้ว Burnley กล่าว รูพรุนในหินที่กักเก็บน้ำถูกปิดไว้ ดังนั้นของเหลวจึงไม่เป็นตัวกระตุ้นอีกต่อไป

“ที่ระดับความลึกนั้น เราคิดว่าน้ำทั้งหมดควรถูกขับออกไป และเราอยู่ไกลจากจุดที่เราจะได้เห็นพฤติกรรมเปราะบางแบบคลาสสิกอย่างแน่นอน” เธอกล่าว "นี่เป็นภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออก"

เปลี่ยนแร่ธาตุ 

ปัญหาเกี่ยวกับแผ่นดินไหวที่ลึกกว่า 249 ไมล์นั้นเกี่ยวข้องกับลักษณะการทำงานของแร่ธาตุภายใต้ความกดดัน เปลือกโลกส่วนใหญ่ประกอบด้วยแร่ธาตุที่เรียกว่าโอลีวีน ซึ่งเป็นมันเงาและเป็นสีเขียว ลงไปประมาณ 249 ไมล์ ความกดดันทำให้เกิดอะตอมของโอลิวีนเพื่อจัดเรียงใหม่เป็นโครงสร้างที่แตกต่างกัน แร่สีน้ำเงินที่เรียกว่า wadsleyite อีก 62 ไมล์ (100 กม.) wadsleyite จะจัดเรียงใหม่เป็น ringwoodite ในที่สุด ลึกเข้าไปในเสื้อคลุมประมาณ 423 ไมล์ (680 กม.) ริงวูดไทต์แตกตัวเป็นแร่ธาตุสองชนิด คือ บริดจ์มาไนต์และเพอริคลาส นักธรณีวิทยาไม่สามารถสำรวจลึกลงไปถึงพื้นโลกได้โดยตรง แต่พวกเขาสามารถใช้อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการเพื่อสร้างแรงกดดันที่รุนแรงและสร้างการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ที่พื้นผิวได้ และเนื่องจากคลื่นไหวสะเทือนเคลื่อนที่ต่างกันไปตามขั้นตอนของแร่ต่างๆ นักธรณีฟิสิกส์สามารถเห็นสัญญาณของการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ได้จากการดูการสั่นสะเทือนที่เกิดจากแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ 

การเปลี่ยนแปลงครั้งสุดท้ายนั้นเป็นจุดสิ้นสุดของเสื้อคลุมด้านบนและจุดเริ่มต้นของเสื้อคลุมด้านล่าง สิ่งสำคัญเกี่ยวกับเฟสแร่ธาตุเหล่านี้ไม่ใช่ชื่อของมัน แต่แต่ละเฟสมีพฤติกรรมต่างกัน มันคล้ายกับกราไฟต์และเพชร” เบิร์นลีย์กล่าว ทั้งสองทำจากคาร์บอนแต่มีการจัดต่างกัน กราไฟต์เป็นรูปแบบที่คงตัวที่พื้นผิวโลก ในขณะที่เพชรเป็นรูปแบบที่คงตัวอยู่ลึกในเสื้อคลุม และทั้งคู่มีพฤติกรรมแตกต่างกันมาก: กราไฟต์มีความนุ่ม สีเทา และลื่น ในขณะที่เพชรมีความแข็งและใสมาก เมื่อโอลิวีนแปรสภาพเป็นวลีที่มีความดันสูงขึ้น มันมีแนวโน้มที่จะโค้งงอและมีโอกาสแตกน้อยลงในลักษณะที่ก่อให้เกิดแผ่นดินไหว 

นักธรณีวิทยางงงวยกับแผ่นดินไหวในเสื้อคลุมตอนบนจนถึงช่วงปี 1980 และยังคงไม่เห็นด้วยว่าทำไมจึงเกิดขึ้นที่นั่น เบิร์นลีย์และที่ปรึกษาระดับปริญญาเอกของเธอ แฮร์รี่ กรีน นักแร่วิทยา เป็นผู้ที่จะหาคำอธิบายที่เป็นไปได้ ในการทดลองในช่วงปี 1980 ทั้งคู่พบว่าเฟสของแร่โอลีวีนนั้นไม่สะอาดและเรียบร้อยนัก ในบางสภาวะ ตัวอย่างเช่น โอลิวีนสามารถข้ามเฟสของ Wadsleyite และตรงไปที่ Ringwoodite และในช่วงเปลี่ยนผ่านจากโอลีวีนเป็นริงวูดไดต์ ภายใต้แรงกดดันที่เพียงพอ แร่อาจแตกได้จริงแทนที่จะงอ

“ถ้าไม่มีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นในตัวอย่างของฉัน มันจะไม่แตกหัก” เบิร์นลีย์กล่าว “แต่นาทีที่ฉันมีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นและฉันกำลังบีบมันในเวลาเดียวกันมันก็จะพัง”

Burnley และ Green รายงานการค้นพบของพวกเขาในปี 1989ในวารสาร Nature ซึ่งชี้ให้เห็นว่าแรงกดดันในเขตการเปลี่ยนแปลงนี้สามารถอธิบายแผ่นดินไหวที่ต่ำกว่า 249 ไมล์ 

 

ลึกขึ้น 

แผ่นดินไหวที่โบนินครั้งใหม่นั้นลึกกว่าเขตเปลี่ยนผ่านนี้ ที่ระยะทาง 467 ไมล์ มันมีต้นกำเนิดในจุดที่ควรจะอยู่ในเสื้อคลุมชั้นล่างพอดี

ความเป็นไปได้อย่างหนึ่งคือขอบเขตระหว่างเสื้อคลุมด้านบนและด้านล่างไม่ได้เป็นเพียงจุดที่นักแผ่นดินไหววิทยาคาดว่าจะอยู่ในภูมิภาคโบนินเท่านั้น Heidi Houston นักธรณีฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเซาเทิร์นแคลิฟอร์เนียซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานนี้กล่าว พื้นที่นอกเกาะโบนินเป็นเขตมุดตัวซึ่งมีแผ่นเปลือกโลกมหาสมุทรดำน้ำอยู่ใต้แผ่นเปลือกโลกทวีป ของแบบนี้มักมีเอฟเฟคบิดเบี้ยว

"เป็นสถานที่ที่ซับซ้อน เราไม่รู้แน่ชัดว่าขอบเขตระหว่างเสื้อคลุมด้านบนและด้านล่างอยู่ที่ไหน" ฮูสตันกล่าวกับ WordsSideKick.com

ผู้เขียนรายงานให้เหตุผลว่าแผ่นเปลือกโลกที่ย่อยแล้วอาจเกาะติดกับชั้นล่างอย่างแน่นหนาพอที่จะทำให้หินอยู่ภายใต้ความเครียดมหาศาล ทำให้เกิดความร้อนและความดันเพียงพอที่จะทำให้เกิดการแตกที่ผิดปกติอย่างมาก อย่างไรก็ตาม Burnley สงสัยว่าคำอธิบายที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดเกี่ยวกับแร่ธาตุที่ประพฤติตัวไม่ดี — หรืออย่างน้อยก็ผิดปกติ เธอกล่าว เปลือกโลกทวีปที่พุ่งเข้าหาศูนย์กลางของโลกนั้นเย็นกว่าวัสดุที่อยู่รอบๆ มาก และนั่นก็หมายความว่าแร่ธาตุในบริเวณนั้นอาจไม่อบอุ่นพอที่จะทำให้การเปลี่ยนแปลงเฟสสมบูรณ์ตามที่ควรจะเป็นที่ความดันที่กำหนด

อีกครั้ง เพชรและกราไฟต์เป็นตัวอย่างที่ดี เบิร์นลีย์กล่าว เพชรไม่เสถียรที่พื้นผิวโลก ซึ่งหมายความว่าจะไม่ก่อตัวขึ้นเองตามธรรมชาติ แต่จะไม่ย่อยสลายเป็นกราไฟต์เมื่อคุณติดมันเข้าไปในแหวนหมั้น นั่นเป็นเพราะว่ามีพลังงานจำนวนหนึ่งที่อะตอมของคาร์บอนจำเป็นต้องจัดเรียงใหม่ และที่อุณหภูมิพื้นผิวโลก พลังงานนั้นไม่มีอยู่จริง (เว้นแต่จะมีใครเอาเพชรมาขัดด้วยเลเซอร์เอ็กซ์เรย์ )

สิ่งที่คล้ายกันอาจเกิดขึ้นในระดับความลึกกับโอลิวีน Burnley กล่าว แร่อาจอยู่ภายใต้แรงกดดันมากพอที่จะเปลี่ยนเป็นระยะที่ไม่เปราะ แต่ถ้ามันเย็นเกินไป เช่น เพราะมีแผ่นเปลือกโลกทวีปที่เย็นยะเยือกขนาดยักษ์อยู่รอบๆ สิ่งนี้สามารถอธิบายได้ว่าทำไมแผ่นดินไหวจึงเกิดขึ้นที่เปลือกโลกด้านล่าง: ที่นั่นไม่ร้อนเท่าที่นักวิทยาศาสตร์คาดหวัง

"ความคิดทั่วไปของฉันคือถ้าวัสดุเย็นพอที่จะสร้างความเครียดมากพอที่จะปล่อยมันในทันทีในแผ่นดินไหว มันก็เย็นพอที่โอลีวีนจะติดอยู่ในโครงสร้างโอลิวีนของมัน" เบิร์นลีย์กล่าว

ไม่ว่าสาเหตุของแผ่นดินไหวจะเป็นอย่างไร แต่ก็ไม่น่าจะเกิดซ้ำบ่อยนัก ฮูสตันกล่าว มีเพียงครึ่งเดียวของเขตมุดตัวทั่วโลกเท่านั้นที่ประสบแผ่นดินไหวระดับลึก และแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นก่อนระดับความลึกพิเศษนี้เกิดขึ้นโดยเฉลี่ยทุกๆ สองถึงห้าปีเท่านั้น

"นี่เป็นเหตุการณ์ที่หายากมาก" เธอกล่าว