Nếu được xác nhận, rung chấn ở độ sâu 751km có thể gây bất ngờ cho các nhà địa chất học vốn cho rằng lớp phủ giữa hầu như không thể xảy ra động đất.
Vào một tối mùa xuân cách đây 6 năm, hàng trăm kilomet dưới lòng đất bắt đầu rung động do hàng loạt trận động đất kỳ lạ. Phần lớn động đất trên Trái đất xảy ra trong phạm vi vài chục kilomet bên dưới bề mặt hành tinh, nhưng những trận động đất này xuất hiện ở độ sâu mà nhiệt độ và áp suất lớn đến mức đất đá bị uốn cong thay vì nứt vỡ. Trận động đất đầu tiên được ghi nhận ở ngoài khơi quần đảo Bonin xa xôi của Nhật Bản với cường độ 7,9 độ và nằm ở độ sâu 680 km. Theo sau đó là trận động đất nhỏ sâu nhất từng được phát hiện.
Trận động đất xảy ra ở độ sâu hàng trăm kilomet bên dưới quần đảo Bonin. (Ảnh: Alamy)
Trận động đất siêu sâu được mô tả gần đây trên tạp chí Geophysical Research Letters, ước tính xảy ra tại độ sâu 751km bên dưới mặt đất trong lớp phủ giữa. Giới nghiên cứu từ lâu cho rằng động đất ít có khả năng hoặc không thể xuất hiện ở đó. Dù có một số bằng chứng về động đất ở lớp phủ giữa trước đây, các nhà nghiên cứu vẫn gặp khó khăn trong việc xác định vị trí của chúng. "Đây là bằng chứng rõ nhất về động đất ở lớp phủ giữa từ trước tới nay", Douglas Wiens, nhà địa chấn học chuyên nghiên cứu động đất sâu tại Đại học Washington ở St. Louis cho biết.
Một số nhà khoa học cho rằng cần nghiên cứu thêm để xác nhận trận động đất này có thật và xảy ra ở lớp phủ giữa. Dù ranh giới trung bình của lớp phủ giữa là 660 km dưới mặt đất, có nhiều khác biệt trên toàn cầu. Bên dưới Nhật Bản, lớp phủ giữa được cho là bắt đầu ở độ sâu 700 km. Nhóm nghiên cứu từng phát hiện vài dư chấn quanh độ sâu này.
Dù động đất sâu không gây thiệt hại như động đất nông, nghiên cứu những sự kiện này có thể giúp giới khoa học xác định các vận động bên dưới mặt đất, hé lộ cấu tạo bên trong Trái đất. Động đất ở lớp phủ giữa rất hiếm gặp, có thể xảy ra trong điều kiện đặc thù, theo Heidi Houston, nhà địa vật lý kiêm chuyên gia về động đất sâu ở Đại học Nam California.
Bản thân trận động đất 7,9 độ rất kỳ lạ. Người dân ở tất cả 47 quận của Nhật Bản báo cáo cảm nhận được động đất, lần đầu tiên trong hơn 130 năm. Đại đa số động đất xảy ra khá nông. Trong 56.832 trận động đất từ vừa tới lớn ghi nhận trong năm 1976 - 2020, chỉ 18% xuất hiện ở độ sâu lớn hơn 70km. Chỉ có 4% tập trung ở độ sâu dưới 300km.
Trong gần một thế kỷ, từ khi nhà thiên văn học và địa chấn học người Anh Herbert Hall Turner phát hiện trận động đất sâu đầu tiên năm 1922, giới nghiên cứu vẫn băn khoăn động đất kiểu này diễn ra như thế nào. Gần mặt đất, chuyển động chậm của các mảng kiến tạo tích tụ áp lực cho đến khi mặt đất nứt vỡ và dịch chuyển, sinh ra rung chấn. Tuy nhiên, sâu trong lòng Trái đất, áp lực cao lại ngăn chặn những rung động tương tự. Kết hợp với nhiệt độ cực hạn, đất đá hoạt động giống vữa hơn thay vì giống khối chất rắn, theo Magali Billen, nhà địa động lực học ở Đại học California, Davis.
Để khám phá vấn đề trên, nhà địa chấn học Eric Kiser ở Đại học Arizona và cộng sự xem xét kỹ hơn trận động đất lớn bên dưới quần đảo Bonin. Máy đo địa chấn trên khắp thế giới, bao gồm mạng lưới Hi-Net của Nhật Bản đều ghi được tín hiệu của trận động đất này. Nhóm nghiên cứu kiểm tra dữ liệu của Hi-Net để tìm kiếm rung chấn sau trận động đất. Một sự kiện lớn như vậy sẽ truyền năng lượng liên tiếp qua lớp đất gần bề mặt, lấn át dư chấn nhỏ. Nhằm khuếch đại tín hiệu nhỏ giữa tất cả tạp âm, các nhà sử dụng phương pháp gọi là back-projection, cho phép họ chồng chất dữ liệu từ nhiều địa chấn kế. Họ phát hiện 4 dư chấn ở độ sâu 695 - 715 km và một trận động đất cách bề mặt hành tinh 751 km.
Tất cả động đất sâu xảy ra gần đới hút chìm hiện đại hoặc cổ đại, nơi các mảng kiến tạo va chạm khiến mảng này chìm xuống dưới mảng khác. Thay đổi ở mảng kiến tạo bị chìm khi chúng đâm chúc xuống độ sâu lớn nhiều khả năng thúc đẩy rung động sâu bên dưới mặt đất. Nhưng các nhà khoa học vẫn không chắc chắn về quá trình áp lực tích tụ đủ cao để gây ra động đất sâu. Đáp án có thể là hiện tượng khiến lớp phủ phân lớp.
Lớp phủ trên chứa đầy khoáng chất olivin màu xanh lá cây lấp lánh. Nhưng ở độ sâu lớn, cấu trúc tinh thể của khoáng chất không còn ổn định. Bắt đầu từ 410 km, những nguyên tử có thể tái sắp xếp thành khoáng chất wadsleyite hoặc ringwoodite. Sự biến đổi của oblivin bên trong lớp phủ có thể tạo ra nhiều điểm yếu ở đất đá. Chúng có thể nhanh chóng biến dạng, gây ra động đất sâu.
Nhưng từ độ sâu 660km, hệ thống thay đổi rõ rệt. Sóng địa chấn quanh ranh giới này cho thấy đá bên dưới đặc hơn nhiều so với bên trên. Tại đây, khoáng chất bridgmanite màu đất chiếm phần lớn. Sự biến đổi gây ra động đất của oblivin không còn tiếp diễn như ở tầng trên. Vì vậy động đất ở lớp này chắc chắn do thứ khác gây ra.
Một khả năng là sự biến đổi của loại khoáng chất khác bên trong mảng kiến tạo bị chìm như khoáng chất enstatite màu nâu đỏ. Nhưng Kiser và cộng sự phát hiện nguyên nhân khả thi khác từ quá trình dịch chuyển của mảng kiến tạo. Dư chấn nhỏ sau trận động đất 7,9 độ xảy ra gần chân mảng kiến tạo ở đáy Thái Bình Dương. Nhóm nghiên cứu cho rằng trận động đất lớn có thể khiến một phần mảng kiến tạo xê dịch. Sự dịch chuyển rất nhỏ đó đủ để tập trung áp lực ở chân mảng kiến tạo khi nó chìm sâu vào lớp phủ giữa đặc hơn. Các nhà khoa học sẽ cần phân tích kỹ hơn và lập mô hình cấu trúc mảng bị chìm cùng vị trí dư chấn của trận động đất 7,9 độ để xác định cơ chế của động đất sâu.