Orsaken till jordens djupaste jordbävningar har varit ett mysterium för vetenskapen i mer än ett sekel, men ett team av Carnegie-forskare kan ha knäckt fallet.

Ny forskning publicerad i AGU avancerar ger bevis för att vätskor spelar en nyckelroll i djupfokuserade jordbävningar – som inträffar mellan 300 och 700 kilometer under planetens yta. Forskargruppen inkluderar Carnegie-forskarna Steven Shirey, Lara Wagner, Peter van Keken, och Michael Walter, samt Graham Pearson från University of Alberta.

De flesta jordbävningar inträffar nära jordens yta, ner till cirka 70 kilometer. De inträffar när stress byggs upp vid en spricka mellan två stenblock – känd som ett fel – vilket gör att de plötsligt glider förbi varandra.

Dock, djupare in i jorden, de intensiva trycken skapar för mycket friktion för att tillåta denna typ av glidning att inträffa och de höga temperaturerna förbättrar stenarnas förmåga att deformeras för att klara ändrade spänningar. Även om det är teoretiskt oväntat, forskare har kunnat identifiera jordbävningar som har sitt ursprung mer än 300 kilometer under ytan sedan 1920-talet.

"Det stora problemet som seismologer har ställts inför är hur det är möjligt att vi överhuvudtaget har dessa djupfokuserade jordbävningar, sa Wagner. När du väl kommit några tiotals kilometer ner, det blir oerhört svårt att förklara hur vi får slip på ett fel när friktionen är så otroligt hög."

Pågående arbete under de senaste decennierna har visat oss att vatten spelar en roll i jordbävningar på mellandjupet - de som inträffar mellan 70 och 300 kilometer under jordens yta. I dessa fall, vatten frigörs från mineraler, vilket försvagar berget runt förkastningen och låter stenblocken glida. Dock, forskare trodde inte att detta fenomen kunde förklara djupfokuserade jordbävningar, till stor del för att man trodde att vatten och andra vätskeskapande föreningar inte kunde ta sig tillräckligt långt ner i jordens inre för att ge en liknande effekt.

Detta tänkande förändrades för första gången när Shirey och Wagner jämförde djupet av sällsynta djupjordsdiamanter med de mystiska djupfokuserade jordbävningarna.

"Diamanter bildas i vätskor" förklarade Shirey, "om diamanter finns där, vätskor finns där."

Diamanterna själva indikerade närvaron av vätskor, dock, de tog också prover av den djupa jorden till ytan för forskarna att studera. När diamanter bildas i jordens inre, de fångar ibland upp bitar av mineral från den omgivande bergarten. Dessa mineraler kallas inneslutningar och de kan göra dina smycken billigare, men de är ovärderliga för jordforskare. De är ett av de enda sätten som forskare kan studera direkta prover av vår planets djupa inre.

Diamantens inneslutningar hade den distinkta kemiska signaturen av liknande material som finns i oceanisk skorpa. Detta betyder att vattnet och andra material inte på något sätt skapades djupt i jordens inre. Istället, de bars ner som en del av en sjunkande oceanisk platta.

Wagner sa:"Seismologisamhället hade gått bort från tanken att det kunde finnas så djupt vatten. Men diamantpetrologer som Steve visade oss prover och sa" Nej, Nej, Nej. Det finns definitivt vatten här nere. Så då var vi alla tvungna att samlas för att ta reda på hur det hamnade där nere."

För att testa idén, Wagner och van Keken byggde avancerade beräkningsmodeller för att simulera temperaturen på sjunkande plattor på mycket större djup än vad som tidigare försökts. Förutom modelleringen, Walter undersökte stabiliteten hos de vattenförande mineralerna för att visa att under den intensiva värmen och trycket från jordens djupa inre, de skulle, verkligen, kunna hålla på vatten under vissa förhållanden. Teamet visade att även om varmare tallrikar inte höll vatten, mineralerna i de kallare oceaniska plattorna skulle teoretiskt kunna föra vatten till de djup vi förknippar med djupfokuserade jordbävningar.

För att förstärka studien jämförde teamet simuleringarna med seismologiska data från verkligheten. De kunde visa att plattorna som teoretiskt kunde föra vatten till dessa djup också var de som upplevde de tidigare oförklarade djupa jordbävningarna.

Denna studie är ovanlig när det gäller att tillämpa fyra olika discipliner - geokemi, seismologi, geodynamik, och petrologi - till samma fråga, som alla pekar på samma slutsats:vatten och andra vätskor är en nyckelkomponent i djupfokuserade jordbävningar.

"Djupa jordbävningars natur är en av de stora frågorna inom geovetenskap, ", sa Shirey. "Vi behövde alla fyra av dessa olika discipliner för att komma samman för att göra detta argument. Det visade sig att vi hade dem alla i Carnegie."