Giải mã trận động đất sâu nhất từng được phát hiện: 750 km bên dưới lòng đất nước Nhật

Trận đầu tiên xảy ra ngoài khơi quần đảo Bonin, Nhật Bản, cường độ 7,9 độ richter và sâu tới 680 km dưới lòng đất - rất ít động đất cường độ lớn xảy ra ở độ sâu như vậy. Nhưng sau đó, trong dư chấn, lại xuất hiện một trận động đất nhỏ còn sâu hơn nữa - ước tính 751 km dưới lòng đất. Nếu chính xác, đây là trận động đất sâu nhất từng được phát hiện.

Trận động đất cực sâu ở vị trí lớp phủ dưới này mới đây đã được mô tả trên tạp chí Geophysical Research Letters. Từ lâu, các nhà khoa học cho rằng động đất rất khó, thậm chí không thể xảy ra ở đây. Lớp phủ nằm phía dưới lớp vỏ và phía trên lõi ngoài của Trái đất, và được chia thành lớp phủ trên và lớp phủ dưới.

Vì tính chất bất thường của phát hiện này, một số nhà khoa học cảnh báo cần nghiên cứu thêm để xác nhận đây đúng là một trận động đất, và nó đã thực sự xảy ra ở lớp phủ dưới. Lớp phủ nằm ở độ sâu trung bình 660 km dưới bề mặt Trái đất - ở Nhật Bản, lớp phủ dưới nằm ở khoảng 700 km dưới bề mặt.

Các trận động đất sâu không tàn phá như các trận động đất gần bề mặt, nhưng chúng là những "cửa sổ" để các nhà khoa học quan sát cách các thành phần bên trong lõi hành tinh dịch chuyển.

Trong số 56.832 trận động đất từ vừa đến lớn được ghi nhận từ năm 1976 đến năm 2020, chỉ có khoảng 18% là sâu hơn 70 km, 4% sâu hơn 300 km và đây cũng được dùng làm ngưỡng xác định "động đất sâu". Kể từ khi nhà thiên văn học và địa chấn học người Anh Herbert Hall Turner phát hiện ra trận động đất sâu đầu tiên vào năm 1922, các nhà khoa học vẫn chưa hiểu rõ cơ chế đằng sau những trận động đất sâu như vậy.

Gần bề mặt, các mảng kiến tạo chuyển động, làm cho mặt đất bị căng thẳng cho đến khi đứt gãy và dịch chuyển, gây ra rung chấn và động đất. Tuy nhiên, ở sâu phía dưới Trái đất, áp suất quá cao và những rung động như vậy rất khó xảy ra. Ở dưới sâu, “mọi thứ đều bị nén rất mạnh theo mọi hướng,” Heidi Houston, nhà địa vật lý và chuyên gia về động đất sâu tại Đại học Nam California, giải thích.

Magali Billen, nhà địa động lực học tại Đại học California, Davis, người không tham gia nghiên cứu mới, cho biết thêm với nhiệt độ cực nóng ở sâu dưới lòng đất, đá có hình thái sệt như đất sét thay vì khối rắn. Khi chịu căng thẳng từ từ và bị kéo, nó sẽ giãn ra, nhưng nếu bị biến dạng nhanh chóng, “nó cũng sẽ vỡ”.

Nhưng điều gì có thể gây ra rung động mạnh và biến dạng nhanh chóng ở dưới sâu như vậy? Để khám phá câu hỏi này, nhà địa chấn học Eric Kiser tại Đại học Arizona và các đồng nghiệp đã xem xét kỹ hơn trận động đất lớn dưới quần đảo Bonin. Trận động đất này sâu và mạnh tới mức nó được ghi lại bởi các máy đo địa chấn trên khắp thế giới, bao gồm cả mạng lưới dày đặc của Nhật Bản được gọi là mạng Hi-Net.

Nhóm nghiên cứu đã sàng lọc kho dữ liệu của Hi-Net để tìm kiếm những chấn động xảy ra sau trận động đất lớn. Một sự kiện động đất lớn như vậy sẽ giải phóng năng lượng cực mạnh, có thể che khuất các dư chấn nhỏ. Để khuếch đại các tín hiệu nhỏ, các nhà nghiên cứu đã xếp chồng dữ liệu từ nhiều máy đo địa chấn từ khắp nơi. Từ đây, họ phát hiện ra 4 cơn dư chấn ở độ sâu từ 695 đến 715 km, và một trận động đất nhỏ hơn nhưng ở rất sâu, 751 km dưới lòng đất.

Lớp phủ trên chứa đầy khoáng chất olivin màu xanh lục lấp lánh, nhưng ở sâu hơn, cấu trúc tinh thể của khoáng chất này không còn ổn định. Bắt đầu từ độ sâu 410 km trở xuống, các nguyên tử có thể sắp xếp lại thành khoáng chất wadsleyite hoặc ringwoodite, càng sâu các khoáng chất này càng xuất hiện nhiều. Và giả thuyết cho rằng sự biến đổi olivin bên trong phiến đá khổng lồ tạo ra các điểm yếu trong đá, làm phiến đá biến dạng nhanh chóng, tạo ra các trận động đất sâu trong khoảng 600 km.

Nhưng khoảng 660 km trở xuống, hệ thống đột ngột thay đổi. Những phiến đá bên dưới dày đặc hơn nhiều so với những phiến bên trên. Trong lớp này, khoáng chất Bridgmanite màu đất chiếm ưu thế, và các biến đổi tạo ra động đất của olivin không còn xảy ra nữa. Vì vậy, nếu một trận động đất xảy ra sâu hơn nữa, trong lớp này của hành tinh, thì phải có một nguyên nhân khác.

Kiser và các đồng nghiệp phát hiện ra rằng các dư chấn cực nhỏ sau trận động đất mạnh 7,9 độ richter ở 680 km đã xảy ra gần chân một phiến đá khổng lồ chìm sâu dưới đáy biển Thái Bình Dương, với phần đầu phiến đá xuyên vào phần trên của lớp phủ. Nhóm nghiên cứu cho rằng trận động đất 7,9 độ richter có thể khiến phần đầu của phiến đá bị ấn xuống sâu thêm một chút, "rất, rất nhẹ", Kiser nói. Nhưng sự dịch chuyển đó có thể đủ để gây sốc cực mạnh ở phía còn lại của phiến đá, khi phần đầu lao vào lớp đá dày đặc của lớp phủ.

Sự gia tăng căng thẳng như vậy có thể làm biến dạng phiến đá, từ đó tạo ra nhiệt và làm suy yếu cấu trúc. Quá trình này lặp lại liên tục, khiến đá biến dạng ngày càng nhanh vì nó ngày càng nóng hơn và cấu trúc ngày càng yếu hơn, cho đến khi biến dạng, va mạnh vào lớp phủ và hình thành một trận động đất sâu.

Trận động đất ở lớp phủ dưới làm thay đổi các giả thuyết về hoạt động địa chất bên trong hành tinh - và không phải ai cũng bị thuyết phục về những tuyên bố của nghiên cứu mới. Các phương pháp được sử dụng để khuếch đại tín hiệu của một trận động đất như thế này có thể tạo ra báo động giả nếu sóng thu được thực chất là từ một trận động đất khác dội ra khỏi các cấu trúc bên trong Trái đất, nhóm nghiên cứu lưu ý.

Có thể xác nhận trận động đất này bằng việc tìm kiếm một loại sóng động đất khác, được gọi là sóng cắt hoặc sóng S. Nhóm Kiser xác định trận động đất bằng sóng áp suất, hay còn gọi là sóng P, truyền nhanh qua mặt đất. Sóng S di chuyển chậm hơn, và nếu sóng S xuất hiện đúng thời điểm dự kiến tương ứng với sóng P mà nhóm nghiên cứu tìm thấy, thì trận động đất này đúng là đã xảy ra, theo John Vidale, nhà địa chấn học tại Đại học Nam California. Và Vidale cho rằng trận động đất sâu 751 km phát hiện trong báo cáo mới là chính xác.

Nghiên cứu bên trong Trái đất không bao giờ là dễ dàng. “Chúng tôi không thể xuống đó,” Houston nói. "Chúng tôi chỉ nhìn thấy những gì sóng động đất cho thấy." Nhưng khi các kỹ thuật xác định vị trí động đất tiếp tục được cải thiện, các nhà khoa học có nhiều cơ hội làm sáng tỏ những rung động bí ẩn trong lòng Trái đất.