Tonga è il paradiso dei sismologi, e non solo per le spiagge di sabbia bianca. La zona di subduzione al largo della costa orientale dell'arcipelago registra più terremoti di profondità intermedia e profonda rispetto a qualsiasi altra zona di subduzione, dove una lastra della litosfera terrestre si tuffa sotto un'altra, sul pianeta.

"Tonga è un posto così estremo, e questo lo rende molto rivelatore, " disse S. Shawn Wei, un sismologo che ha conseguito il dottorato alla Washington University di St. Louis e ora è un borsista post-dottorato presso la Scripps Institution of Oceanography a San Diego.

Quello sciame di terremoti è un'erba gatta per i sismologi perché ancora non capiscono cosa causa l'esplosione dei terremoti a così grandi profondità.

Al di sotto di circa 40 miglia, l'enorme calore e la pressione all'interno della Terra dovrebbero mantenere la roccia morbida e flessibile, più incline a trasudare che a schioccare. Quindi innescare un terremoto in profondità dovrebbe essere come far frantumare la melassa.

Nel numero dell'11 gennaio di Progressi scientifici , un team di sismologi della Washington University, La Scripps Institution of Oceanography e la Carnegie Institution for Science analizzano i dati di 671 terremoti avvenuti tra 30 e 280 miglia sotto la superficie terrestre nella placca del Pacifico mentre scendeva nella fossa di Tonga.

Analizzando i dati di diverse indagini sismiche sia con sismometri di fondo oceanico che con stazioni sismiche su isole, sono stati sorpresi di trovare una zona di intensa attività sismica nella lastra discendente, che chiamano cintura sismica.

L'andamento dell'attività lungo la lastra ha fornito una forte evidenza che i terremoti sono innescati dal rilascio di acqua in profondità.

"Sembra che la cintura sismica sia prodotta dall'improvviso flusso d'acqua quando la lastra si riscalda abbastanza da permettere ai minerali idratati di decomporsi e rilasciare la loro acqua, " ha detto Doug Wiens, il Robert S. Brookings Distinguished Professor di scienze della terra e planetarie in Arts &Sciences presso la Washington University.

"La pressione del fluido provoca terremoti nello stesso modo in cui le acque reflue iniettate in pozzi profondi li provocano in Oklahoma, "Ha detto Wiens. "Anche se i dettagli sono molto diversi quando si trova a molte miglia di distanza, è lo stesso processo fisico. "

Una zona di subduzione da campione

La Fossa di Tonga occupa un posto d'onore negli annali della sismologia perché è qui che gli scienziati americani, invitato a investigare la terra brontolante dal Re di Tonga, hanno avuto il loro primo chiaro assaggio di una zona di subduzione in azione.

Il classico articolo che gli scienziati Bryan Isacks, Jack Oliver e Lynn Sykes pubblicati nel 1968 portarono all'accettazione della teoria allora speculativa della tettonica a zolle.

Nel 1985, il sismologo giapponese Hitoshi Kawakatsu ha scoperto un'altra cosa interessante a Tonga:la lastra discendente ha una doppia zona sismica. "Ci sono due zone di terremoti nella lastra, " Wiens ha detto. "Uno è nella parte superiore della lastra e l'altro è verso il centro della lastra".

Vienna, che studia la zona di subduzione di Tonga dai primi anni '90, dice che è un grande laboratorio naturale perché le sue caratteristiche sono così estreme. Il fondo dell'oceano che effettua l'immersione è più vecchio e più freddo della maggior parte delle altre lastre di subduzione. Si sta anche muovendo molto velocemente.

"Nella parte settentrionale della Fossa delle Tonga, la lastra si muove di 9 pollici all'anno, " disse Wiens. "La faglia di Sant'Andrea, a confronto, si muove di 2 pollici all'anno."

E la lastra di subduzione ha un'altra utile stranezza. Non sta scendendo nella trincea a velocità uniforme ma scende invece molto più velocemente all'estremità settentrionale della trincea rispetto all'estremità meridionale.

Ciò significa che la lastra si riscalda a velocità diverse lungo la sua lunghezza. "È come spingere una tavoletta di cioccolato fredda in una teglia di budino che bolle, " disse Wiens. "Se spingi lentamente, il cioccolato ha la possibilità di scaldarsi e sciogliersi, ma se spingi veloce, il cioccolato resta freddo più a lungo."

Questa è una configurazione perfetta per studiare il fenomeno dipendente dalla temperatura.

La sorpresa

Quando Wei ha analizzato i dati di Tonga, vide la doppia zona sismica scoperta dallo scienziato giapponese. "Stiamo più o meno per dare seguito a quel documento del 1985, " Egli ha detto.

"Dove la doppia zona sismica ha iniziato a crollare a Tonga, però, abbiamo visto questa zona molto attiva di terremoti che abbiamo chiamato cintura sismica, " Wiens ha detto. "È stata una sorpresa; non ce lo aspettavamo».

Perché l'improvviso scoppio di terremoti mentre la lastra scendeva? L'indizio eloquente era che l'esplosione era inclinata verso l'alto da nord a sud lungo la lastra. Più velocemente si muoveva la lastra, più profondi sono i terremoti, e più lenta è la lastra, più bassi sono i terremoti.

La cintura sismica angolata ha detto agli scienziati che il meccanismo che ha innescato i terremoti era sensibile alla temperatura. "Pensiamo che i terremoti si verifichino quando il mantello nella lastra che scende diventa abbastanza caldo da rilasciare la sua acqua, "Ha detto Vienna.

"Le persone hanno proposto questo meccanismo prima, ma questa è la pistola fumante, Wiens ha continuato. "La sismicità sta cambiando la profondità in un modo che è correlato con la velocità di subduzione e la temperatura della lastra. "

Il ciclo delle acque profonde

Ma da dove viene l'acqua, e perché viene rilasciato all'improvviso?

L'interno della placca del Pacifico è esposto all'acqua di mare poiché la placca viene tirata sotto la placca di Tonga e si aprono faglie sulla sua superficie superiore, ha detto Wei. L'acqua di mare reagisce con la roccia per formare minerali idrati (minerali che includono l'acqua nella loro struttura cristallina) nella famiglia dei serpentini. Il più abbondante di questi minerali serpentini è una pietra verde chiamata antigorite.

Ma mentre la lastra scende e la temperatura e la pressione aumentano, questi minerali idrati diventano instabili e si degradano attraverso reazioni di disidratazione, ha detto Wei.

Questo improvviso rilascio di grandi quantità di acqua è ciò che scatena i terremoti.

"La temperatura che prevediamo nei luoghi del terremoto suggerisce fortemente che i minerali si disidratano molto in profondità nella zona di subduzione di Tonga, disse Peter van Keken, uno scienziato del personale presso la Carnegie Institution for Science e coautore del documento.

I "diagrammi di fase" per le reazioni di disidratazione dell'antigorite si sovrappongono nettamente alla pressione e alla temperatura della soletta in corrispondenza della cintura sismica.

Ma i diagrammi di fase non sono così affidabili a queste temperature e profondità estreme. Quindi Wei, per uno, Vorrei vedere più dati di laboratorio sul comportamento dell'antigorite e di altri minerali idrati ad alta temperatura e pressione per inchiodare il meccanismo.

Per lui, la parte più eccitante della ricerca è l'evidenza dell'acqua a 180 miglia sotto la superficie.

"Attualmente non sappiamo quanta acqua arriva alle profondità della Terra o quanto in profondità l'acqua può finalmente raggiungere, " Wei ha detto. "In altre parole, non sappiamo quanta acqua è immagazzinata nel mantello, che è un fattore chiave per il bilancio idrico della Terra".

L'acqua laggiù potrebbe essere importante per noi quanto l'acqua quassù. Comincia a sembrare che l'acqua sia il lubrificante che lubrifica la macchina che ricicla la crosta terrestre.

"Il set di dati di Tonga è un così grande scrigno che sfrutteremo per molti anni a venire, " ha detto Wei. "Tonga ha molte altre storie da raccontarci sull'interno della Terra".