Tonga är ett paradis för seismologer, och inte bara på grund av de vita sandstränderna. Subduktionszonen utanför skärgårdens östra kust har mer medeldjupa och djupa jordbävningar än någon annan subduktionszon, där en platta av jordens litosfär dyker under en annan, på planeten.

"Tonga är en så extrem plats, och det gör det väldigt avslöjande, " sa S. Shawn Wei, en seismolog som tog sin doktorsexamen vid Washington University i St. Louis och nu är postdoktor vid Scripps Institution of Oceanography i San Diego.

Den svärmen av jordbävningar är kattmynta för seismologer eftersom de fortfarande inte förstår vad som får jordbävningar att dyka upp på så stora djup.

Under cirka 40 mil, den enorma värmen och trycket i jordens inre borde hålla stenen mjuk och böjlig, mer benägen att sippra än att knäppa. Så att utlösa en jordbävning på djupet borde vara som att få melass att splittras.

I numret 11 januari av Vetenskapliga framsteg , ett team av seismologer från Washington University, Scripps Institution of Oceanography och Carnegie Institution for Science analyserar data från 671 jordbävningar som inträffade mellan 30 och 280 miles under jordens yta i Stillahavsplattan när den gick ner i Tonga Trench.

Analyserar data från flera seismiska undersökningar med både havsbottenseismometrar och öbaserade seismiska stationer, de blev förvånade över att hitta en zon med intensiv jordbävningsaktivitet i den nedåtgående plattan, som de kallar ett seismiskt bälte.

Mönstret för aktiviteten längs plattan gav starka bevis för att jordbävningarna utlöstes av utsläpp av vatten på djupet.

"Det ser ut som att det seismiska bältet produceras av den plötsliga spolningen av vatten när plattan värms upp tillräckligt för att de hydratiserade mineralerna kan bryta ner och avge sitt vatten, sa Doug Wiens, Robert S. Brookings Distinguished Professor of Earth and planetary Sciences in Arts &Sciences vid Washington University.

"Vätskens tryck orsakar jordbävningar på samma sätt som avloppsvatten som injiceras i djupa brunnar orsakar dem i Oklahoma, " sa Wiens. "Även om detaljerna är väldigt olika när det är många mil ner, det är samma fysiska process. "

En mästare subduktionszon

Tonga Trench har en hedersplats i seismologins annaler eftersom det är här amerikanska forskare, inbjudna att undersöka den knorrande jorden av kungen av Tonga, fick sin första tydliga glimt av en subduktionszon i aktion.

Det klassiska papper som forskarna Bryan Isacks, Jack Oliver och Lynn Sykes publicerade 1968 ledde till acceptansen av den då spekulativa teorin om plattektonik.

1985, den japanska seismologen Hitoshi Kawakatsu upptäckte något annat intressant i Tonga:den fallande plattan har en dubbel seismisk zon. "Det finns två zoner med jordbävningar i plattan, " sade Wiens. "Den ena är i den övre delen av plattan och den andra är mot mitten av plattan."

Wiens, som har studerat Tonga subduktionszon sedan början av 1990-talet, säger att det är ett fantastiskt naturligt laboratorium eftersom dess egenskaper är så extrema. Havsbotten som tar dyket där är äldre och kallare än de flesta andra subducerande plattor. Det går också väldigt fort.

"I den norra delen av Tonga-graven, plattan rör sig 9 tum om året, sade Wiens. San Andreas-felet, i jämförelse, rör sig 2 tum om året."

Och den subducerande plattan har en annan användbar egenhet. Det sjunker inte in i diket med jämn hastighet utan går istället ner mycket snabbare vid den norra änden av diket än i södra änden.

Detta innebär att plattan värms upp i olika takt längs dess längd. "Det är som att trycka in en kall chokladkaka i en bubblande panna med pudding, sade Wiens. Om du trycker långsamt, chokladen har en chans att värmas upp och smälta, men om du trycker snabbt, chokladen håller sig kall längre."

Detta är en perfekt inställning för att studera temperaturberoende fenomen.

Överaskningen

När Wei analyserade data från Tonga, han såg den dubbla seismiska zonen som den japanska forskaren hade upptäckt. "Vi ska i stort sett följa upp det där papperet från 1985, " han sa.

"Där den dubbla seismiska zonen började brytas ner i Tonga, dock, vi såg detta verkligt aktiva område med jordbävningar som vi kallade det seismiska bältet, " sade Wiens. "Det var en överraskning; vi hade inte väntat oss det."

Varför det plötsliga utbrottet av jordbävningar när plattan sjönk? Den talande ledtråden var att sprängningen vinklade uppåt från norr till söder längs plattan. Ju snabbare plattan rörde sig, ju djupare jordbävningar, och ju långsammare plattan, ju grundare jordbävningar.

Det vinklade seismiska bältet berättade för forskarna att mekanismen som utlöser jordbävningar var temperaturkänslig. "Vi tror att jordbävningarna inträffar när manteln i den nedåtgående plattan blir tillräckligt varm för att släppa ut vattnet, " sa Wiens.

"Folk har föreslagit den här mekanismen tidigare, men det här är den rykande pistolen, "Wiens fortsatte." Seismiciteten förändrar djupet på ett sätt som korrelerar med subduktionshastigheten och plattans temperatur. "

Djupt vattnets kretslopp

Men var kommer vattnet ifrån, och varför släpps den plötsligt?

Stilla havsplattans insida utsätts för havsvatten när plattan dras under Tongaplattan och fel öppnas på dess övre yta, sa Wei. Havsvatten reagerar med berget och bildar vattenhaltiga mineraler (mineraler som inkluderar vatten i sin kristallstruktur) i serpentinfamiljen. Den vanligaste av dessa serpentinmineraler är en grön sten som kallas antigorit.

Men när plattan sjunker och temperaturen och trycket ökar, dessa vattenhaltiga mineraler blir instabila och bryts ner genom uttorkningsreaktioner, sa Wei.

Detta plötsliga utsläpp av stora mängder vatten är det som utlöser jordbävningarna.

"Temperaturen vi förutspår i jordbävningsplatserna tyder starkt på att mineraler torkar mycket djupt i Tonga subduktionszon, sa Peter van Keken, en personalvetare vid Carnegie Institution for Science och en medförfattare på tidningen.

"Fasdiagrammen" för antigorituttorkningsreaktioner överlappar prydligt med trycket och temperaturen hos plattan vid det seismiska bältet.

Men fasdiagrammen är inte så tillförlitliga vid dessa extrema temperaturer och djup. Så Wei, för en, skulle vilja se mer laboratoriedata om beteendet hos antigorit och andra vattenhaltiga mineraler vid hög temperatur och tryck för att spika fast mekanismen.

För honom, den mest spännande delen av forskningen är bevis på vatten 180 miles under ytan.

"Vi vet för närvarande inte hur mycket vatten som kommer till den djupa jorden eller hur djupt vattnet äntligen kan nå, " sa Wei. "Med andra ord, vi vet inte hur mycket vatten som lagras i manteln, vilket är en nyckelfaktor för jordens vattenbudget."

Vattnet där nere kan vara lika viktigt för oss som vattnet här uppe. Det börjar se ut som att vatten är smörjmedlet som oljer maskinen som återvinner jordskorpan.

"Tonga-dataset är en så stor skattkista som vi kommer att utnyttja i många år framöver, " sa Wei. "Tonga har många fler historier att berätta om jordens inre."