這些神秘的地震發(fā)源于地球表面以下400至700公里之間，記錄的震級高達里氏8.3級。

解決這個謎題的人是Xanthippi Markenscoff，他是加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)院機械和航空航天工程系的杰出教授。她的論文“深部地震中的體積坍塌不穩(wěn)定性：受壓成核并由壓力驅(qū)動的剪切源”發(fā)表在《固體力學(xué)與物理學(xué)》雜志上。

術(shù)語“深層地震”是指這種地震起源于地幔深處，那里地幔壓力很高。自從1929年首次確定深層地震以來，研究人員一直在試圖了解造成地震的原因。研究人員認(rèn)為，高壓會產(chǎn)生內(nèi)爆，從而直觀地產(chǎn)生壓力波。但是，他們無法將高壓與深焦點地震產(chǎn)生的特定類型的地震波(稱為剪切(或變形)地震波)之間的點連接起來。(握住前臂然后扭動它會感到變形的能量。)

Markenscoff在她的新論文中完成了對這種在超高壓下發(fā)生的神秘現(xiàn)象的解釋。她從2019年開始在一系列論文中揭開了謎團。此外，她的解決方案還使人們深入了解了許多其他現(xiàn)象，例如具有相似地球物理過程的行星撞擊和行星形成。

“這是一個完美的例子，說明嚴(yán)格扎根于力學(xué)和物理學(xué)的深層數(shù)學(xué)建?？梢匀绾螏椭覀兘鉀Q自然界中的奧秘。Markenscoff教授的工作不僅會對我們?nèi)绾卫斫馍顚拥卣甬a(chǎn)生深遠影響，而且對我們?nèi)绾慰煽氐禺a(chǎn)生影響在工程材料中使用動態(tài)相變以使我們受益。”新加坡南洋理工大學(xué)杰出大學(xué)教授，《 Markescoff論文》發(fā)表的《固體力學(xué)與物理學(xué)》雜志編輯高華建說。

從巖石轉(zhuǎn)變?yōu)榈卣?/p>

眾所周知，在地表以下400至700公里之間存在的高壓會導(dǎo)致橄欖石巖石發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅茴愋偷募饩?。這類似于煤炭如何轉(zhuǎn)化為鉆石，鉆石也發(fā)生在地球地幔深處。

從橄欖石變成致密的尖晶石會導(dǎo)致巖石體積減小，因為原子在很大的壓力下彼此靠近。這可以稱為“體積崩潰”。這種體積塌陷和相關(guān)的“變形斷層”被認(rèn)為是深層地震的主要原因。但是，到目前為止，還沒有基于體積崩潰的模型來預(yù)測在深焦點地震中實際到達地球表面的剪切(變形)地震波。因此，還考慮了其??他模型，并且事務(wù)狀態(tài)仍然停滯不前。

Markenscoff現(xiàn)在通過發(fā)現(xiàn)在非常高的壓力下發(fā)生的不穩(wěn)定性，利用基本的數(shù)學(xué)物理學(xué)和力學(xué)解決了這個謎。一種不穩(wěn)定性涉及轉(zhuǎn)化巖石的擴展區(qū)域的形狀，另一種不穩(wěn)定性涉及其生長。

對于從橄欖石到尖晶石的相變的擴展區(qū)域，使其變大，這些具有大密度的轉(zhuǎn)換區(qū)域?qū)⒊尸F(xiàn)扁平的“薄餅狀”形狀，從而最大限度地減少了致密區(qū)域在未轉(zhuǎn)化的介質(zhì)中傳播所需的能量大。這是一種對稱破壞模式，可以在深焦點地震發(fā)生的極高壓力下發(fā)生，而正是這種對稱破壞導(dǎo)致剪切變形導(dǎo)致了到達地球表面的剪切波。以前，研究人員假定保持對稱性的球形膨脹不會導(dǎo)致剪切地震波。他們不知道對稱性將被打破。

Markenscoff說：“打破變形巖石形狀的球形對稱性可以最大程度地減少相變傳播區(qū)域變大所需的能量。” “您不會花費能量來移動大球體的表面，而只會移動外圍。”

另外，Markenscoff解釋說，在巖石的相變擴展區(qū)域內(nèi)，沒有粒子運動，也沒有動能(它是“空隙”)，因此，輻射出的能量被最大化。這就解釋了為什么地震波可以到達地表，而不是大部分能量消散在地球內(nèi)部。

Markenscoff對擴展震源變形場的分析模型是基于對Eshelby(1957)包含的經(jīng)典定理(Atiya et al，1970)的動態(tài)概括。相變擴展區(qū)域的能量學(xué)受Noether(1918)理論物理學(xué)定理支配通過這種方式，她獲得了不穩(wěn)定性，這些不穩(wěn)定性在壓力下造成了坍塌體積的快速增長和快速崩塌。這是第二個發(fā)現(xiàn)的不穩(wěn)定性(關(guān)于增長)：一旦觸發(fā)了任意小的密實扁平區(qū)域，在臨界壓力下它將繼續(xù)增長，而無需更多的能量。(它只是像“紙牌屋”一樣不斷塌陷。)因此，謎底得以解決：盡管它是剪切源，但驅(qū)動深焦點地震傳播的是作用在體積變化上的壓力。

當(dāng)被問及對她的發(fā)現(xiàn)進行深層地震可以用數(shù)學(xué)物理學(xué)的基石來描述時，她說：“我感覺自己與大自然緊密相連。我發(fā)現(xiàn)了大自然的作用之美。這是我一生中的第一次。在此之前，別人還沒有邁出一步。我感到了極大的快樂。”

相關(guān)發(fā)現(xiàn)

深焦點地震只是這些不穩(wěn)定性表現(xiàn)出來的現(xiàn)象之一。它們還出現(xiàn)在高壓下的其他動態(tài)相變現(xiàn)象中，例如行星撞擊和非晶化。如今，出現(xiàn)了新的實驗設(shè)施，例如由勞倫斯·利物浦國家實驗室(Lawrence Liver National Laboratory)管理的國家點火設(shè)施(NIF)，研究人員能夠在以前無法測試的極高壓力下研究材料。

馬肯斯科夫(Markenscoff)的新著作提供了重要的證明，并提醒人們，對自然之謎的深入了解通常需要洞察力，這些洞察力可以通過利用數(shù)學(xué)物理學(xué)的基礎(chǔ)知識以及在極端條件下進行的實驗研究而獲得。

實際上，Markenscoff于2016年和2019年在圣地亞哥加州大學(xué)合組織了兩次由國家科學(xué)基金會(NSF)資助的講習(xí)班，這些研討會將地球物理學(xué)家和地震學(xué)家與機械師召集在一起，以確保這些研究團體對機械學(xué)中開發(fā)的方法和技術(shù)有所了解。

馬肯斯科夫說：“我們的教育系統(tǒng)應(yīng)繼續(xù)投資于科學(xué)基礎(chǔ)知識的教學(xué)，以此作為知識發(fā)展的支柱，這可以通過理論，實驗和數(shù)據(jù)科學(xué)的跨學(xué)科融合來實現(xiàn)。”

她還指出了多年來她從國家科學(xué)基金會(NSF)獲得的研究支持的重要性。

馬肯斯科夫說：“知道我的NSF計劃經(jīng)理相信有可能解決這個“謎團”并為我提供資金，既增強了我的信心，也堅定了我堅持不懈的決心。“我指出這一點是對我們所有人的提醒。同樣重要的是，我們要對學(xué)生和同事給予周到和深思熟慮的鼓勵。知道您所尊重的人會非常有力地相信您和您的工作。”