Tonga is een paradijs voor seismologen, en niet alleen vanwege de witte zandstranden. De subductiezone voor de oostkust van de archipel veroorzaakt meer middeldiepe en diepe aardbevingen dan enige andere subductiezone, waar een plaat van de aardse lithosfeer onder een andere duikt, op de planeet.

"Tonga is zo'n extreme plaats, en dat maakt het heel onthullend, " zei S. Shawn Wei, een seismoloog die zijn doctoraat behaalde aan de Washington University in St. Louis en nu een postdoctoraal onderzoeker is aan de Scripps Institution of Oceanography in San Diego.

Die zwerm aardbevingen is kattenkruid voor seismologen omdat ze nog steeds niet begrijpen waardoor aardbevingen op zulke grote diepten ontstaan.

Onder ongeveer 40 mijl, de enorme hitte en druk in het binnenste van de aarde zou het gesteente zacht en buigzaam moeten houden, meer geneigd om te sijpelen dan om te breken. Dus het veroorzaken van een aardbeving op diepte zou hetzelfde moeten zijn als het laten versplinteren van melasse.

In het nummer van 11 januari van wetenschappelijke vooruitgang , een team van seismologen van de Washington University, Scripps Institution of Oceanography en Carnegie Institution for Science analyseren de gegevens van 671 aardbevingen die plaatsvonden tussen 30 en 280 mijl onder het aardoppervlak in de Pacifische plaat terwijl deze afdaalde in de Tonga Trench.

Analyseren van gegevens van verschillende seismische onderzoeken met zowel seismometers op de oceaanbodem als seismische stations op het eiland, ze waren verrast om een ​​zone van intense aardbevingsactiviteit te vinden in de neergaande plaat, die ze een seismische band noemen.

Het patroon van de activiteit langs de plaat leverde sterk bewijs dat de aardbevingen worden veroorzaakt door het vrijkomen van water op diepte.

"Het lijkt erop dat de seismische gordel wordt geproduceerd door het plotseling wegspoelen van water wanneer de plaat voldoende opwarmt zodat de gehydrateerde mineralen kunnen ontbinden en hun water kunnen afgeven, " zei Doug Wiens, de Robert S. Brookings Distinguished Professor of Earth and Planetary Sciences in Arts &Sciences aan de Washington University.

"De druk van de vloeistof veroorzaakt aardbevingen op dezelfde manier als afvalwater dat in diepe putten wordt geïnjecteerd in Oklahoma, "Zei Wiens. "Hoewel de details heel anders zijn als het vele kilometers verderop is, het is hetzelfde fysieke proces. "

Een kampioen subductiezone

De Tonga Trench heeft een ereplaats in de annalen van de seismologie, omdat hier Amerikaanse wetenschappers, uitgenodigd om de morrende aarde te onderzoeken door de koning van Tonga, kregen hun eerste duidelijke glimp van een subductiezone in actie.

Het klassieke artikel dat wetenschappers Bryan Isacks, Jack Oliver en Lynn Sykes, gepubliceerd in 1968, leidde tot de aanvaarding van de toenmalige speculatieve theorie van de platentektoniek.

In 1985, de Japanse seismoloog Hitoshi Kawakatsu ontdekte nog iets interessants in Tonga:de dalende plaat heeft een dubbele seismische zone. "Er zijn twee zones van aardbevingen in de plaat, " zei Wiens. "De ene bevindt zich in het bovenste deel van de plaat en de andere bevindt zich in het midden van de plaat."

Wenen, die sinds het begin van de jaren negentig de subductiezone van Tonga bestudeert, zegt dat het een geweldig natuurlijk laboratorium is omdat de kenmerken zo extreem zijn. De oceaanbodem die daar duikt, is ouder en kouder dan de meeste andere subductieplaten. Het gaat ook erg snel.

"In het noordelijke deel van de Tonga Trench, de plaat beweegt 9 inch per jaar, "zei Wiens. "De San Andreas-breuk, ter vergelijking, beweegt 2 inch per jaar."

En de subductieplaat heeft nog een andere handige eigenaardigheid. Het daalt niet met uniforme snelheid de greppel in, maar gaat veel sneller naar beneden aan de noordkant van de greppel dan aan de zuidkant.

Dit betekent dat de plaat over de lengte met verschillende snelheden opwarmt. "Het is alsof je een koude reep chocolade in een borrelende puddingvorm duwt, "zei Wiens. "Als je langzaam duwt, de chocolade krijgt de kans om op te warmen en te smelten, maar als je snel duwt, de chocolade blijft langer koud."

Dit is een perfecte opstelling voor het bestuderen van temperatuurafhankelijke fenomenen.

De verrassing

Toen Wei de gegevens uit Tonga analyseerde, hij zag de dubbele seismische zone die de Japanse wetenschapper had ontdekt. "We volgen zo'n beetje dat document uit 1985, " hij zei.

"Waar de dubbele seismische zone begon af te breken in Tonga, echter, we zagen dit echt actieve gebied van aardbevingen dat we de seismische gordel noemden, ' zei Wiens. 'Dat was een verrassing; we hadden het niet verwacht."

Waarom de plotselinge uitbarsting van aardbevingen toen de plaat afdaalde? De veelzeggende aanwijzing was dat de uitbarsting schuin omhoog liep van noord naar zuid langs de plaat. Hoe sneller de plaat bewoog, hoe dieper de aardbevingen, en hoe langzamer de plaat, hoe ondieper de aardbevingen.

De schuine seismische riem vertelde de wetenschappers dat het mechanisme dat aardbevingen veroorzaakte temperatuurgevoelig was. "We denken dat de aardbevingen optreden wanneer de mantel in de neergaande plaat heet genoeg wordt om het water vrij te geven, ' zei Wiens.

"Mensen hebben dit mechanisme eerder voorgesteld, maar dit is het rokende pistool, Wiens vervolgde. "De seismiciteit verandert de diepte op een manier die gecorreleerd is met de subductiesnelheid en de plaattemperatuur. "

De diepwatercyclus

Maar waar komt het water vandaan, en waarom wordt het plotseling vrijgegeven?

Het binnenste van de Pacifische plaat wordt blootgesteld aan zeewater wanneer de plaat onder de Tonga-plaat wordt getrokken en breuken aan de bovenzijde opengaan, zei Wei. Zeewater reageert met het gesteente om waterhoudende mineralen te vormen (mineralen die water in hun kristalstructuur bevatten) in de serpentijnfamilie. De meest voorkomende van deze serpentijnmineralen is een groene steen die antigoriet wordt genoemd.

Maar naarmate de plaat daalt en de temperatuur en druk toenemen, deze waterhoudende mineralen worden onstabiel en breken af ​​door uitdrogingsreacties, zei Wei.

Deze plotselinge afgifte van grote hoeveelheden water veroorzaakt de aardbevingen.

"De temperatuur die we voorspellen op de aardbevingslocaties suggereert sterk dat mineralen zeer diep in de Tonga-subductiezone uitdrogen, zei Peter van Keken, een stafwetenschapper bij de Carnegie Institution for Science en een co-auteur van het papier.

De "fasediagrammen" voor antigoriet uitdrogingsreacties overlappen netjes met de druk en temperatuur van de plaat bij de seismische band.

Maar de fasediagrammen zijn niet zo betrouwbaar bij deze extreme temperaturen en diepten. Dus Wei, voor een, zou graag meer laboratoriumgegevens zien over het gedrag van antigoriet en andere waterhoudende mineralen bij hoge temperatuur en druk om het mechanisme vast te stellen.

Voor hem, het meest opwindende deel van het onderzoek is het bewijs van water 180 mijl onder het oppervlak.

"We weten momenteel niet hoeveel water de diepe aarde bereikt of hoe diep het water uiteindelijk kan reiken, " zei Wei. "Met andere woorden, we weten niet hoeveel water er in de mantel is opgeslagen, wat een sleutelfactor is voor het waterbudget van de aarde."

Het water daar beneden is misschien net zo belangrijk voor ons als het water hier. Het begint erop te lijken dat water het smeermiddel is dat de machine smeert die de aardkorst recycleert.

"De Tonga-dataset is zo'n geweldige schatkist die we nog vele jaren zullen exploiteren, "zei Wei. "Tonga heeft nog veel meer verhalen te vertellen over het binnenste van de aarde."