El mineral verde en este espécimen de la colección de enseñanza de la Universidad de Washington es serpentina. (Las rocas que se componen principalmente de serpentina se denominan serpentinita). La superficie lisa de la muestra se denomina "lado en rodajas". Crédito:Jill Pateris
Tonga es un paraíso para los sismólogos, y no solo por las playas de arena blanca. La zona de subducción frente a la costa este del archipiélago acumula más terremotos de profundidad intermedia y profunda que cualquier otra zona de subducción, donde una placa de la litosfera de la Tierra se sumerge debajo de otra, en el planeta.
"Tonga es un lugar tan extremo, y eso lo hace muy revelador, "dijo S. Shawn Wei, un sismólogo que obtuvo su doctorado en la Universidad de Washington en St. Louis y ahora es un becario postdoctoral en la Institución de Oceanografía Scripps en San Diego.
Ese enjambre de terremotos es hierba gatera para los sismólogos porque todavía no entienden qué causa que los terremotos estallen a profundidades tan grandes.
Por debajo de unas 40 millas, el enorme calor y la presión en el interior de la Tierra deberían mantener la roca suave y flexible, más propenso a supurar que a romperse. Entonces, desencadenar un terremoto en profundidad debería ser como hacer que la melaza se rompa.
En la edición del 11 de enero de Avances de la ciencia , un equipo de sismólogos de la Universidad de Washington, La Institución Scripps de Oceanografía y la Institución Carnegie para la Ciencia analizan los datos de 671 terremotos que ocurrieron entre 30 y 280 millas debajo de la superficie de la Tierra en la Placa del Pacífico mientras descendía a la Fosa de Tonga.
Analizar datos de varios levantamientos sísmicos con sismómetros de fondo oceánico y estaciones sísmicas en islas, se sorprendieron al encontrar una zona de intensa actividad sísmica en la losa descendente, que ellos llaman cinturón sísmico.
El patrón de actividad a lo largo de la losa proporcionó una fuerte evidencia de que los terremotos son provocados por la liberación de agua en profundidad.
"Parece que el cinturón sísmico se produce por la repentina descarga de agua cuando la losa se calienta lo suficiente como para que los minerales hidratados puedan descomponerse y desprender su agua, "dijo Doug Wiens, el Profesor Distinguido Robert S. Brookings de Ciencias de la Tierra y Planetarias en Artes y Ciencias en la Universidad de Washington.
"La presión del fluido provoca terremotos de la misma forma que las aguas residuales inyectadas en pozos profundos los provocan en Oklahoma, ", Dijo Wiens." Aunque los detalles son muy diferentes cuando está a muchas millas de distancia, es el mismo proceso físico. "
Una zona de subducción de campeones
La Fosa de Tonga ocupa un lugar de honor en los anales de la sismología porque es aquí donde los científicos estadounidenses, invitado a investigar la tierra quejumbrosa por el rey de Tonga, obtuvieron su primer atisbo claro de una zona de subducción en acción.
El artículo clásico que los científicos Bryan Isacks, Jack Oliver y Lynn Sykes, publicados en 1968, llevaron a la aceptación de la entonces teoría especulativa de la tectónica de placas.
En 1985, el sismólogo japonés Hitoshi Kawakatsu descubrió algo más interesante en Tonga:la losa descendente tiene una doble zona sísmica. "Hay dos zonas de terremotos en la losa, "Dijo Wiens." Uno está en la parte superior de la losa y el otro está hacia el medio de la losa ".
Wiens, que ha estado estudiando la zona de subducción de Tonga desde principios de la década de 1990, dice que es un gran laboratorio natural porque sus características son tan extremas. El fondo del océano que se sumerge allí es más antiguo y más frío que la mayoría de las losas subductoras. También se mueve muy rápido.
"En la parte norte de la fosa de Tonga, la losa se mueve 9 pulgadas al año, "dijo Wiens." La falla de San Andrés, en comparación, se mueve 2 pulgadas al año ".
Y la losa de subducción tiene otra peculiaridad útil. No desciende a la trinchera a una velocidad uniforme, sino que desciende mucho más rápido en el extremo norte de la trinchera que en el extremo sur.
Esto significa que la losa se calienta a diferentes velocidades a lo largo de su longitud. "Es como meter una barra de chocolate fría en una cacerola burbujeante de budín, "dijo Wiens." Si empuja lentamente, el chocolate tiene la posibilidad de calentarse y derretirse, pero si empujas rápido el chocolate permanece frío por más tiempo ".
Esta es una configuración perfecta para estudiar fenómenos dependientes de la temperatura.
Mapa de epicentros reubicados (círculos rojos). Las líneas rectas indican las secciones transversales con un ancho de 133 km en este estudio. Las profundidades de los terremotos oscilan entre 50 y 450 km. El rectángulo punteado resalta el cinturón sísmico. Las flechas negras con números muestran las velocidades del sitio del sistema de posicionamiento global en un marco de referencia fijo en el Pacífico. El triángulo azul representa la estación FONI. La batimetría de una profundidad de 1 km se contornea para delinear la cordillera de Tonga, Arco de tofua, Lau Ridge, y la meseta de Fiji, y contornos de 7, 8, 9, y 10 km también se muestran para delinear la fosa de Tonga. El recuadro muestra la región de estudio en un mapa global. Crédito:Wei et al. Sci. Adv . 2017; 3:e1601755
La sorpresa
Cuando Wei analizó los datos de Tonga, vio la doble zona sísmica que había descubierto el científico japonés. "Estamos bastante para dar seguimiento a ese documento de 1985, " él dijo.
"Donde la doble zona sísmica comenzó a colapsar en Tonga, sin embargo, vimos esta zona de terremotos realmente activa que llamamos cinturón sísmico, "Dijo Wiens." Eso fue una sorpresa; no lo esperábamos ".
¿Por qué el repentino estallido de terremotos mientras descendía la losa? La pista reveladora fue que el estallido se inclinó hacia arriba de norte a sur a lo largo de la losa. Cuanto más rápido se movía la losa, cuanto más profundos son los terremotos, y cuanto más lenta es la losa, cuanto menos profundos son los terremotos.
El cinturón sísmico en ángulo les dijo a los científicos que el mecanismo que desencadenaba los terremotos era sensible a la temperatura. "Creemos que los terremotos ocurren cuando el manto de la losa descendente se calienta lo suficiente como para liberar el agua, "Dijo Wiens.
"La gente ha propuesto este mecanismo antes, pero esta es la pistola humeante, "Wiens continuó." La sismicidad está cambiando la profundidad de una manera que se correlaciona con la tasa de subducción y la temperatura de la losa. "
El ciclo de las aguas profundas
Pero de donde viene el agua y ¿por qué se lanza de repente?
El interior de la placa del Pacífico está expuesto al agua de mar cuando la placa se tira debajo de la placa de Tonga y se abren fallas en su superficie superior. Dijo Wei. El agua de mar reacciona con la roca para formar minerales hidratados (minerales que incluyen agua en su estructura cristalina) en la familia de las serpentinas. El más abundante de estos minerales serpentinos es una piedra verde llamada antigorita.
Secciones transversales de hipocentros superpuestos sobre modelos térmicos. Vista ampliada de la sección transversal C-C ′ para mostrar el cinturón sísmico. Los puntos amarillos y negros son los hipocentros reales. Las curvas grises sólidas y discontinuas ilustran la superficie de la losa y Moho, respectivamente. Crédito:Wei et al. Sci. Adv. 2017; 3:e1601755
Pero a medida que la losa desciende y la temperatura y la presión aumentan, estos minerales hidratados se vuelven inestables y se descomponen a través de reacciones de deshidratación, Dijo Wei.
Esta repentina liberación de grandes cantidades de agua es lo que desencadena los terremotos.
"La temperatura que predecimos en los lugares del terremoto sugiere fuertemente que los minerales se deshidratan muy profundamente en la zona de subducción de Tonga, dijo Peter van Keken, científico del personal de la Carnegie Institution for Science y coautor del artículo.
Los "diagramas de fase" para las reacciones de deshidratación de antigorita se superponen claramente con la presión y la temperatura de la losa en el cinturón sísmico.
Pero los diagramas de fase no son tan confiables a estas temperaturas y profundidades extremas. Así que Wei, para uno, Me gustaría ver más datos de laboratorio sobre el comportamiento de la antigorita y otros minerales hidratados a alta temperatura y presión para precisar el mecanismo.
Para él, la parte más emocionante de la investigación es la evidencia de agua a 180 millas debajo de la superficie.
"Actualmente no sabemos cuánta agua llega a las profundidades de la Tierra o qué tan profundo puede llegar finalmente el agua, "Wei dijo." En otras palabras, no sabemos cuánta agua hay almacenada en el manto, que es un factor clave para el presupuesto de agua de la Tierra ".
El agua allá abajo puede ser tan importante para nosotros como el agua aquí arriba. Empieza a parecer que el agua es el lubricante que aceita la máquina que recicla la corteza terrestre.
"El conjunto de datos de Tonga es un gran cofre del tesoro que aprovecharemos durante muchos años, ", dijo Wei." Tonga tiene muchas más historias que contarnos sobre el interior de la Tierra ".
