Ny metode avslører hemmelighetene til veldig dype jordskjelv

Ved å analysere små kvartskorn som ble fanget i andre mineraler langt nede i jordskorpa for flere millioner år siden, kan forskerne nå se hvor høyt trykket var der nede når de ble dannet. Det forteller igjen mye om fjellkjedene som ligger oppå.

– Dette er en helt ny metode for å bestemme trykket der kvartsen blir dannet, sier prodekan Bjørn Jamtveit ved Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet.

Prosessene denne metoden nå kan gi ny kunnskap om, er veldig viktige for utviklingen av fjellkjeder. Selv om de skjer dypt der nede, påvirker disse prosessene både tettheten til bergartene i fjellkjedene vi ser i dag og hvor sterke de er.

– Tettheten og egenskapene til den lavere delen av jordskorpa, fra 20 til 80 kilometer, er veldig viktig for utviklingen av fjellkjeder, sier Jamtveit, tidligere direktør ved Njord – Senter for studier av jordens fysikk.

Høyt trykk hindrer jordskjelv

Både kvartsen og mineralene som fanget den, oppsto under jordskjelv langt, langt nede i jordskorpa. Slike jordskjelv er ikke vanlige, og mekanismene bak dem har vært gåtefulle for forskerne.

– Den kontinentale jordskorpa er i snitt rundt 40 kilometer tykk, men de fleste jordskjelv skjer på dyp mindre enn 15–20 kilometer, sier Jamtveit til Titan.uio.no. 

– Når kontinenter kolliderer, oppstår det spenninger som kan få bergartene til å sprekke. Deretter kan det oppstå veldig raske glidninger på sprekken. Det er det som er jordskjelv.

Lenger nede er historien en annen. Der er trykket så stort at det skal veldig mye til før en sprekk i berget utvikler seg til et jordskjelv.

– Det blir høyere trykk jo lenger ned du kommer, og jo mer trykk, desto vanskeligere er det for bergartene å gli på sprekken.

– Dessuten blir bergartene varmere og varmere nedover. Da blir de også mykere og mykere. Hvis de blir utsatt for spenning og temperaturen er høy, vil de ikke sprekke opp lenger. De vil heller begynne å flyte som en seig væske, forklarer Jamtveit.

Friksjonsvarme smelter bergartene

Likevel forekommer det jordskjelv på slike dyp. Til tross for høyt trykk og mye varme. Det skjer for eksempel under kollisjonen mellom det Indiske kontinent og Asia som har dannet det vi kjenner som Himalaya.

– Det skjedde også den gangen vårt kontinent Baltika kolliderte med Nord-Amerika–Grønland-platen.

Spørsmålet er hvordan disse skjelvene kan skje når trykket er så stort. Det skal mye til for at to ruglete flater som presses mot hverandre, begynner å gli.

Det må ha vært noe imellom dem som fikk dem til å bevege seg. Men hva? Svaret er smelte, som er flytende bergarter eller magma.

– Smelten på disse sprekkene blir dannet fordi det oppstår friksjonsvarme når bergartene på hver sin side av en sprekk beveger på seg. Det blir så mye friksjonsvarme at bergarten smelter akkurat på sprekken der bergartene presses mot hverandre, sier Jamtveit.

Raman-spektroskopi

Dermed har sprekken der nede i jordskorpa fått glidemiddelet sitt, og et jordskjelv blir mulig. Trykket i denne smelten må imidlertid ha vært høyere enn trykket fra bergartene rundt. Men hvor høyt hadde man ingen metode for å måle.

Ikke før nå. Ikke før Jamtveit, tre av hans postdoker (Xin Zhong, Arianne Petley-Ragan og Sarah Incel) og Niels Andersen ved Raman-laboratoriet ved Kjemisk institutt fant den geniale løsningen med kvartskornene.

Når denne smelten størkner, blir den til mineraler. Korn for korn størkner og blir til stein.

– Når et mineralkorn vokser, for eksempel mineralet granat, så fanger de noen ganger korn av andre mineraler, som kvarts.

– Jo større trykket er på kvartsen når den dannes, jo kortere blir bindingene inne i kvartsstrukturen. Disse bindingene kan karakteriseres med raman-spektroskopi.

– I Raman-laboratoriet sendes elektromagnetisk stråling gjennom kvartsen, og ut av den får vi informasjon om strukturen på kvartsen, sier Jamtveit.

Bevarer strukturen

Siden kvartskornene er små inneslutninger i større granatkorn, blir strukturen bevart selv om kvartsen beveger seg oppover i jordskorpa og etter hvert kanskje blir funnet av nysgjerrige geologer.

– Ved å studere denne type informasjon kan vi vise at smelten kvartsen krystalliserte fra var utsatt for svært høyt trykk. Så høyt at det motvirket trykket fra bergarten rundt, noe som gjorde det mye lettere å gli. Denne mekanismen muliggjør jordskjelv selv ved veldig store dyp.

– Dette er noe folk har vært ute etter lenge, å prøve å forstå hvordan det kan oppstå jordskjelv på veldig store dyp, sier Jamtveit.

Men dette er første gang noen har funnet en metode for å måle det.

– Når kontinentene kolliderer, og trykk og temperatur øker, så kan også bergartene forandre seg fra en type bergart til en annen. Dette kalles metamorfose og påvirker tettheten på bergarten – hvor tunge bergartene er. Det kan også påvirke hvor sterke bergartene er. Det påvirker hele fjellkjeden.

– Hvor høye fjellene kan bli, avhenger av tettheten på jordskorpa, sier Jamtveit.

Høye fjell trenger styrke

Hvis fjellene stikker for høyt opp, vil de kollapse under sin egen vekt på grunn av gravitasjonskraften. Jo svakere de er, jo lettere kollapser de.

– Tettheten og styrken i bergarten styrer hvordan hele fjellkjeden utvikler seg. Tetthet og styrke blir påvirket av metamorfose, og metamorfosen settes ofte i gang ved disse jordskjelvene dypt nede.

– Disse jordskjelvene er starten på den prosessen som endrer bergartenes egenskaper når kontinentene kolliderer, sier Jamtveit.

Forskere har tidligere spekulert på om den smelten kunne hatt høyt trykk, og det er foreslått som en mulig grunn til at dype jordskjelv kan skje.

– Nå har vi på en oppfinnsom måte funnet en metode for å måle trykket i de bitte små kvartsinneslutningene som ble fanget opp i granaten som vokste fra den friksjonssmelten, sier Jamtveit.

Vitenskapelig artikkel:

Xin Zhong, Arianne J. Petley-Ragan, Sarah H. M. Incel, Marcin Dabrowski, Niels H. Andersen & Bjørn Jamtveit: Lower crustal earthquake associated with highly pressurized frictional melts, Nature Geoscience, juni 2021.