Mikroskopiska brister i bergkristaller djupt under jordens yta spelar en avgörande faktor för hur marken långsamt rör sig och återställs i efterdyningarna av stora jordbävningar, säger ny forskning som involverar University of Cambridge.

Spänningarna till följd av dessa defekter – som är tillräckligt små för att störa de atomära byggstenarna i en kristall – kan omvandla hur heta stenar under jordskorpan rör sig och i sin tur överföra stress tillbaka till jordens yta, startar nedräkningen till nästa jordbävning.

Den nya studien, publiceras i Naturkommunikation , är den första att kartlägga kristalldefekterna och omgivande kraftfält i detalj. "De är så små att vi bara har kunnat observera dem med de senaste mikroskopiteknikerna, " sa huvudförfattaren Dr. David Wallis från Cambridges institution för geovetenskaper, "Men det är klart att de avsevärt kan påverka hur djupa stenar rör sig, och till och med styra när och var nästa jordbävning kommer att inträffa."

Genom att förstå hur dessa kristalldefekter påverkar bergarter i jordens övre mantel, forskare kan bättre tolka mätningar av markrörelser efter jordbävningar, som ger viktig information om var stress byggs upp – och i sin tur var framtida jordbävningar kan inträffa.

Jordbävningar inträffar när delar av jordskorpan plötsligt glider förbi varandra längs förkastningslinjer, frigör lagrad energi som fortplantar sig genom jorden och får den att skaka. Denna rörelse är i allmänhet ett svar på uppbyggnaden av tektoniska krafter i jordskorpan, vilket gör att ytan bucklas och så småningom brister i form av en jordbävning.

Deras arbete avslöjar att hur jordens yta sätter sig efter en jordbävning, och lagrar stress före en upprepad händelse, kan i slutändan spåras till små defekter i bergkristaller från djupet.

"Om du kan förstå hur snabbt dessa djupa stenar kan flöda, och hur lång tid det tar att överföra stress mellan olika områden över en förkastningszon, då kan vi kanske få bättre förutsägelser om när och var nästa jordbävning kommer att inträffa, sa Wallis.

Teamet utsatte olivinkristaller - den vanligaste komponenten i den övre manteln - för en rad olika tryck och temperaturer för att replikera förhållanden på upp till 100 km under jordens yta, där stenarna är så varma (ungefär 1250oC) rör de sig som sirap.

Wallis liknar deras experiment vid en smed som arbetar med varm metall – vid de högsta temperaturerna, deras prover glödde glödande och böjliga.

De observerade de förvrängda kristallstrukturerna med hjälp av en högupplöst form av elektronmikroskopi, kallas elektron backscatter diffraktion, som Wallis har varit pionjär inom geologiska material.

Deras resultat kastar ljus över hur heta stenar i den övre manteln mystiskt kan förändras från att flyta nästan som sirap direkt efter en jordbävning till att bli tjocka och tröga med tiden.

Denna förändring i tjocklek – eller viskositet – överför stress tillbaka till de kalla och spröda stenarna i skorpan ovanför, där det byggs upp — tills nästa jordbävning slår till.

Anledningen till denna förändring i beteende har förblivit en öppen fråga, "Vi har vetat att mikroskalaprocesser är en nyckelfaktor för att kontrollera jordbävningar ett tag, men det har varit svårt att observera dessa små egenskaper tillräckligt detaljerat, " sa Wallis. "Tack vare en toppmodern mikroskopiteknik, vi har kunnat titta in i kristallramen av heta, djupa stenar och spåra hur viktiga dessa små defekter verkligen är."

Wallis och medförfattare visar att oregelbundenheter i kristallerna blir alltmer trassliga med tiden; trängs efter rymden på grund av deras konkurrerande kraftfält – och det är denna process som gör att stenarna blir mer trögflytande.

Hittills hade man trott att denna ökning av viskositeten berodde på den konkurrerande tryckningen och dragningen av kristaller mot varandra, snarare än att orsakas av mikroskopiska defekter och deras stressfält inuti själva kristallerna.

Teamet hoppas kunna tillämpa sitt arbete på att förbättra kartor över seismiska faror, som ofta används i tektoniskt aktiva områden som södra Kalifornien för att uppskatta var nästa jordbävning kommer att inträffa. Nuvarande modeller, som vanligtvis baseras på var jordbävningar har inträffat tidigare, och där stress därför måste byggas upp, ta bara hänsyn till de mer omedelbara förändringarna över en förkastningszon och överväg inte gradvisa spänningsförändringar i stenar som flyter djupt inne i jorden.

Arbeta med kollegor vid Utrecht University, Wallis planerar också att tillämpa sina nya labbbegränsningar på modeller av markrörelser efter den farliga jordbävningen 2004 som drabbade Indonesien, och jordbävningen i Japan 2011 – som båda utlöste tsunamier och ledde till förlusten av tiotusentals liv.