Inżynieria jako wiodąca prognoza trzęsień ziemi

Naukowcy z Brown University odkryli, że geometria uskoków, w tym dyslokacje i złożone struktury w strefach uskoków, odgrywa kluczową rolę w określaniu prawdopodobieństwa i siły trzęsienia ziemi. Odkrycie to, oparte na badaniach linii uskoków w Kalifornii, podważa tradycyjne poglądy skupiające się głównie na tarciu.

Przyglądając się bliżej geometrycznemu składowi skał, z których pochodzą trzęsienia ziemi, badacze z Brown University dodają nową zmarszczkę do długo utrzymywanego przekonania o tym, co w ogóle jest przyczyną trzęsień ziemi.

Ponowny przegląd dynamiki trzęsień ziemi

Wyniki badań opisano w niedawno opublikowanym artykule w czasopiśmie NaturaPokazuje, że sposób ułożenia sieci uskoków odgrywa kluczową rolę w określeniu miejsca wystąpienia trzęsienia ziemi i jego siły. Odkrycia te podważają tradycyjny pogląd, że to rodzaj tarcia występującego w tych uskokach decyduje przede wszystkim o tym, czy wystąpią trzęsienia ziemi, czy nie, i może poprawić obecne zrozumienie sposobu działania trzęsień ziemi.

„Nasz artykuł przedstawia zupełnie inny obraz przyczyn trzęsień ziemi” – powiedział Victor Tsai, geofizyk z Brown University i jeden z głównych autorów artykułu. „Ma to bardzo ważne implikacje dla tego, gdzie można spodziewać się trzęsień ziemi, a gdzie nie można się ich spodziewać, a także dla przewidywania, gdzie trzęsienia ziemi będą najbardziej szkodliwe”.

Tradycyjne poglądy na mechanikę trzęsień ziemi

Linie uskoków to widoczne granice na powierzchni planety, w których zderzają się ze sobą stałe płyty tworzące litosferę Ziemi. Przez dziesięciolecia geofizycy interpretowali, że trzęsienia ziemi występują, gdy na uskokach narastają naprężenia do punktu, w którym uskoki szybko przesuwają się lub pękają, uwalniając stłumione naprężenia w wyniku działania znanego jako zachowanie poślizgowe, mówi Tsai.

Naukowcy postawili hipotezę, że szybki poślizg i następujące po nim intensywne ruchy gruntu są wynikiem niestabilnego tarcia, które może wystąpić w przypadku uskoków. Natomiast pomysł jest taki, że gdy tarcie jest stabilne, płyty ślizgają się po sobie powoli, bez wystąpienia trzęsienia ziemi. Ten stały, płynny ruch jest również znany jako pełzanie.

Nowe spojrzenie na zachowanie linii uskoków

„Ludzie próbują mierzyć właściwości tarcia, np. czy w strefie uskoku występuje tarcie niestabilne czy stabilne, a następnie na podstawie pomiarów laboratoryjnych próbują przewidzieć, czy wystąpi tam trzęsienie ziemi” – powiedział Cai. Powiedział. „Nasze odkrycia sugerują, że ważniejsze może być przyjrzenie się geometrii uskoków w tych sieciach uskoków, ponieważ to złożona geometria struktur wokół tych granic może powodować niestabilne i stabilne zachowanie”.

Geometria, którą należy wziąć pod uwagę, obejmuje złożoność podstawowych struktur skalnych, takich jak zakręty, szczeliny i stopnie. Badanie opiera się na modelowaniu matematycznym i badaniu stref uskoków w Kalifornii z wykorzystaniem danych z bazy danych uskoków czwartorzędowych US Geological Survey oraz z California Geological Survey.

Szczegółowe przykłady i wcześniejsze badania

Zespół badawczy, w skład którego wchodzą także absolwent Uniwersytetu Browna Jaesuk Lee i geofizyk Greg Hirth, przedstawił bardziej szczegółowy przykład ilustrujący przebieg trzęsień ziemi. Mówią, że zderzające się ze sobą defekty należy wyobrażać sobie jako zęby ząbkowane niczym krawędź piły.

Kiedy zębów jest mniej lub są one stępione, skały przesuwają się po sobie płynniej, umożliwiając pełzanie. Kiedy jednak struktury skalne w tych uskokach są bardziej złożone i szorstkie, struktury te sklejają się i sklejają. Kiedy tak się dzieje, zwiększają ciśnienie i ostatecznie, gdy ciągną i pchają mocniej, pękają, rozrywają się i powodują trzęsienia ziemi.

Skutki złożoności geometrycznej

Nowe badanie opiera się na Poprzednia praca Zastanów się, dlaczego niektóre trzęsienia ziemi powodują większy ruch podłoża w porównaniu do innych trzęsień ziemi w różnych częściach świata, a czasem nawet trzęsień ziemi o tej samej sile. Badanie wykazało, że zderzenie bloków w strefie uskoku podczas trzęsienia ziemi znacząco przyczynia się do generowania wibracji o wysokiej częstotliwości i podsunęło pogląd, że być może złożoność geometryczna podpowierzchni również odgrywa rolę w tym, gdzie i dlaczego występują trzęsienia ziemi.

Brak równowagi i intensywność trzęsień ziemi

Analizując dane dotyczące uskoków w Kalifornii, w tym dobrze znanego uskoku San Andreas, naukowcy odkryli, że w strefach uskoków, które miały pod spodem złożoną geometrię, co oznacza, że ​​znajdujące się tam struktury nie były równoległe, występowały silniejsze ruchy podłoża niż ruchy mniej geometryczne. złożony. Strefy błędów. Oznacza to również, że na niektórych z tych obszarów trzęsienia ziemi będą silniejsze, na innych słabsze, a na niektórych nie będzie żadnych trzęsień ziemi.

Naukowcy ustalili to na podstawie średniego braku równowagi analizowanych błędów. Ten współczynnik niewspółosiowości mierzy, jak blisko znajdują się uskoki w danym obszarze i czy wszystkie idą w tym samym kierunku, a nie w różnych kierunkach. Analiza wykazała, że ​​strefy uskoków, w których uskoki są bardziej nachylone, powodują epizody poślizgu w postaci trzęsień ziemi. Strefy uskoków, w których geometria uskoku była bardziej wyrównana, ułatwiły płynne pełzanie uskoku bez trzęsień ziemi.

„Zrozumienie, jak uskoki zachowują się jako system, jest niezbędne do zrozumienia, dlaczego i w jaki sposób dochodzi do trzęsień ziemi” – powiedział Lee, absolwent, który kierował badaniami. „Nasze badania sugerują, że złożoność architektury sieci błędów jest kluczowym czynnikiem, który tworzy znaczące powiązania między zbiorami niezależnych obserwacji i integruje je w nową strukturę”.

Przyszłe kierunki badań nad trzęsieniami ziemi

Naukowcy twierdzą, że potrzeba więcej pracy, aby w pełni zweryfikować model, ale wstępne prace sugerują, że pomysł jest obiecujący, zwłaszcza że niewspółosiowość lub niewspółosiowość jest łatwiejsza do zmierzenia niż właściwości niewspółosiowości. Jeśli ta praca okaże się trafna, pewnego dnia będzie można ją włączyć do modeli przewidywania trzęsień ziemi.

W tej chwili jest to jeszcze bardzo odległe, ponieważ badacze zaczynają ustalać, w jaki sposób wykorzystać badanie.

„Najbardziej oczywistą rzeczą, która nadchodzi, jest próba wyjścia poza Kalifornię i sprawdzenie, jak ten model sobie radzi” – powiedział Tsai. „To potencjalnie nowy sposób zrozumienia, jak powstają trzęsienia ziemi”.

Odniesienie: „Geometria sieci uskoków wpływa na zachowanie tarcia podczas trzęsień ziemi” – Jaesuk Lee, Victor C. Tsai, Greg Hirth, Avigyan Chatterjee i Daniel T. Trugmana, 5 czerwca 2024 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07518-6

Badania wsparła Narodowa Fundacja Nauki. Oprócz Li, Tsai i Hirtha w skład zespołu weszli także Avighyan Chatterjee i Daniel T. Trugman z Uniwersytetu Nevada w Reno.