Under de avtagande månaderna 2018, två av de mäktigaste djupa jordbävningarna som någonsin registrerats i mänsklighetens historia rasade Tonga-Fiji-regionen i södra Stilla havet.

I den första studien någonsin av dessa djupa jordbävningar – generellt definierade som alla jordbävningar som inträffar 350 kilometer eller mer under jordens yta – karakteriserade ett forskarteam ledd av Florida State University dessa betydande seismologiska händelser, avslöjar ny och överraskande information om vår planets mystiska, ständigt föränderlig interiör.

Teamets resultat, publiceras i tidskriften Geofysiska forskningsbrev , avgränsa de komplexa geologiska processer som är ansvariga för jordbävningarna och föreslå att den första kraftiga störningen faktiskt kan ha utlöst den andra.

"Vi har inte den här typen av stora jordbävningar för ofta, " sa studieförfattaren Wenyuan Fan, en jordbävningsseismolog vid FSU:s Department of Earth, Havet och atmosfärisk vetenskap. "Dessa djupa jordbävningar, särskilt större jordbävningar, främjas inte riktigt av den omgivande miljön. Så varför händer detta? Det är en övertygande fråga att ställa."

Medan djupa jordbävningar sällan känns på jordens yta, Att studera dessa titaniska händelser kan hjälpa forskare att bättre förstå systemen och strukturerna i den inre jorden.

Men de exakta mekanismerna för djupa jordbävningar har länge varit ett mysterium för jordbävningsforskare. De extrema temperatur- och tryckförhållandena på den djupa jorden är inte lämpliga för de typer av mekaniska processer som vanligtvis är ansvariga för jordbävningar - nämligen rörelse och plötslig glidning av stora plattor.

Istället, det extraordinära trycket håller saker och ting stadigt på plats, och de skyhöga temperaturerna får stenigt material att bete sig som choklad – att röra sig trögflytande istället för som isbitar som man ser på den grunda ytan.

"Vi förväntade oss inte att få djupa jordbävningar, " sa Fan. "Det borde inte hända. Men vi har observationer av djupa jordbävningar. Så varför? Hur? Vilken typ av fysiska processer fungerar under sådana förhållanden?"

Med hjälp av avancerade vågformsanalyser, Fan och hans team upptäckte att det första skalvet - en gigant som klockade in på magnituden 8,2, vilket gör det till den näst största djupa jordbävningen som någonsin registrerats - var produkten av två distinkta fysiska processer.

Jordbävningen, de hittade, började i en av regionens seismiskt viktiga plattor, en del av en tektonisk platta subducerad under en annan. Plattkärnor är kallare än deras sjudande heta omgivningar, och därför mer mottaglig för kärnbildning av jordbävningar.

När jordbävningen började bildas i plattans kärna, den fortplantade sig ut i sina varmare och mer sega omgivningar. Denna utåtriktade fortplantning flyttade jordbävningen från en mekanisk process till en annan.

"Detta är intressant för innan Tonga troddes att det övervägande bara hade en typ av mekanism, som är inom den kalla plattans kärna, "Fan sa. "Men vi ser faktiskt att flera fysiska mekanismer är inblandade."

Det dubbla mekanismens utbredningsmönster som fanns i jordbävningen med magnituden 8,2 var inte helt överraskande för Fan och hans team. Processen påminde om en liknande djup, Skalvet med magnituden 7,6 som skakade regionen 1994. Dessa igenkännbara mönster var ett lovande tecken.

"Att se att något är förutsägbart, som de upprepade mönstren som observerades i jordbävningen med magnituden 8,2, är mycket tillfredsställande, " Sa Fan. "Det väcker hoppet att vi vet något om det här systemet."

Men den andra jordbävningen, som inträffade 18 dagar efter den första, var mer ett pussel. Kramper på magnituden 7,9 inträffade i ett område som tidigare upplevt mycket liten seismisk aktivitet. De distinkta fysiska mekanismerna som fanns i det andra skalvet delade fler likheter med sydamerikanska djupa jordbävningar än med de massiva skalven som skakar södra Stilla havet. Och, förbryllande för forskare, jordbävningen med magnituden 7,9 producerade förvånansvärt få efterskalv i förhållande till dess betydande storlek.

På något sätt, Fan sa, en stor jordbävning utlöstes i ett tidigare aseismiskt område som sedan omedelbart återgick till det normala.

Det är denna utlösande process som mest intresserar Fan framöver. Han sa att denna jordbävnings "dubbel" illustrerar den dynamiska och inbördes relaterade naturen hos djupa jordprocesser och det akuta behovet av att bättre förstå hur dessa komplicerade processer fungerar.

"Det är viktigt att vi tar upp frågan om hur stora jordbävningar utlöser andra stora jordbävningar som inte är långt borta, " sade han. "Detta är en bra demonstration att det verkar finnas fysiska processer involverade som fortfarande är okända. Vi har gradvis lärt oss att identifiera mönstret, men inte i en grad där vi vet exakt hur det fungerar. Jag tror att detta är viktigt för alla typer av faroprognoser. Det är mer än ett intellektuellt intresse. Det är viktigt för det mänskliga samhället."