Nieuwe bevindingen betwisten traditionele overtuigingen over de oorzaak van aardbevingen

5 juni 2024

Dit artikel is beoordeeld volgens de redactionele procedures en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende eigenschappen benadrukt bij het waarborgen van de geloofwaardigheid van de inhoud:

• gecontroleerde feiten
• door vakgenoten beoordeelde publicatie
• betrouwbare bron
• geproeflezen

door Brown University

Door nauwkeurig te kijken naar de geometrische samenstelling van rotsen waar aardbevingen ontstaan, voegen onderzoekers van de Brown University een nieuwe dimensie toe aan een lang gekoesterd idee over wat seismische aardbevingen in de eerste plaats veroorzaakt.

Het werk, beschreven in het tijdschrift Nature, onthult dat de manier waarop foutnetwerken zijn uitgelijnd een belangrijke rol speelt in het bepalen waar een aardbeving zal plaatsvinden en hoe sterk deze zal zijn.

De bevindingen stellen de traditionelere opvatting dat voornamelijk het type wrijving dat zich op deze fouten voordoet, bepaalt of aardbevingen al dan niet plaatsvinden, ter discussie en ze zouden ons huidige begrip van hoe aardbevingen werken kunnen verbeteren.

'Ons artikel schetst een heel ander beeld van waarom aardbevingen gebeuren,' zegt de geofysicus Victor Tsai van Brown, een van de hoofdauteurs van het artikel. 'En dit heeft zeer belangrijke implicaties voor waar we aardbevingen kunnen verwachten versus waar we geen aardbevingen hoeven verwachten, evenals voor het voorspellen waar de meest schadelijke aardbevingen zullen zijn.'

Breuklijnen zijn de zichtbare grenzen op het oppervlak van de planeet waar de stijve platen die de lithosfeer van de aarde vormen, tegen elkaar aan schuren. Tsai zegt dat geofysici al tientallen jaren aardbevingen verklaren als gebeurtenissen waarbij de spanning op fouten oploopt tot het punt dat de fouten snel langs elkaar glijden of breken, waardoor opgekropte druk wordt vrijgegeven in een actie die bekend staat als stok-slipgedrag.

Onderzoekers theoretiseerden dat de snelle slip en intense grondbewegingen die volgen het gevolg zijn van instabiele wrijving die op de fouten kan optreden. Daarentegen is de gedachte dat wanneer de wrijving stabiel is, de platen dan langzaam tegen elkaar glijden zonder een aardbeving. Deze constante en soepele beweging staat ook bekend als kruip.

'Mensen proberen deze wrijvingseigenschappen te meten, zoals of de foutzone instabiele wrijving of stabiele wrijving heeft en vervolgens proberen ze op basis van laboratoriummetingen van dat, te voorspellen of je daar een aardbeving gaat krijgen of niet,' zei Tsai.

'Onze bevindingen suggereren dat het relevanter kan zijn om te kijken naar de geometrie van de fouten in deze foutnetwerken, omdat het misschien de complexe geometrie van de structuren rond die grenzen is die dit instabiele versus stabiele gedrag creëert.'

De te overwegen geometrie omvat complexiteiten in de onderliggende rotsstructuren zoals bochten, openingen en overbruggingen. De studie is gebaseerd op wiskundige modellering en het bestuderen van foutzones in Californië met behulp van gegevens uit de Quaternaire foutendatabase van de U.S. Geological Survey en van de California Geological Survey.

Het onderzoeksteam, waaronder ook Brown-afgestudeerde student Jaeseok Lee en Brown-geofysicus Greg Hirth, biedt een gedetailleerder voorbeeld om te illustreren hoe aardbevingen ontstaan. Ze zeggen dat je moet bedenken dat de fouten die tegen elkaar op botsen, gekartelde tanden hebben zoals de rand van een zaag.

Als er minder tanden zijn of tanden die niet zo scherp zijn, glijden de rotsen soepeler langs elkaar, wat kruip mogelijk maakt. Maar wanneer de rotsstructuren in deze fouten complexer en gekartelder zijn, grijpen deze structuren op elkaar en blijven ze hangen. Wanneer dat gebeurt, bouwen ze druk op en uiteindelijk als ze harder en harder trekken en duwen, breken ze, rukken ze van elkaar weg en leiden ze naar aardbevingen.

De nieuwe studie bouwt voort op eerder werk dat keek naar waarom sommige aardbevingen meer grondbeweging genereren in vergelijking met andere aardbevingen in verschillende delen van de wereld, soms zelfs die van vergelijkbare magnitude.

De studie toonde aan dat blokken die in een breukzone botsen terwijl een aardbeving plaatsvindt, aanzienlijk bijdragen aan de generatie van hoogfrequente trillingen en wekte het idee op dat misschien ook geometrische complexiteit onder het oppervlak een rol speelde in waar en waarom aardbevingen gebeuren.

Bij het analyseren van gegevens van breuken in Californië, waaronder de bekende San Andreas breuk, ontdekten de onderzoekers dat de breukzones met complexe geometrie eronder, wat betekent dat de structuren daar niet zo op één lijn lagen, sterkere grondbewegingen bleken te hebben dan minder geometrisch complexe breukzones. Dit betekent ook dat sommige van deze zones sterkere aardbevingen zouden hebben, andere zouden zwakkere hebben en sommige zouden geen aardbevingen hebben.

De onderzoekers hebben dit bepaald op basis van de gemiddelde misuitlijning van de fouten die ze hebben geanalyseerd. Deze misuitlijningsverhouding meet hoe nauw de fouten in een bepaalde regio zijn uitgelijnd en allemaal in dezelfde richting gaan versus vele verschillende richtingen.

The analysis revealed that fault zones where the faults are more misaligned cause stick-slip episodes in the form of earthquakes. Fault zones where the geometry of the faults were more aligned facilitated smooth fault creep with no earthquakes.

'Understanding how faults behave as a system is essential to grasp why and how earthquakes happen,' said Lee, the graduate student who led the work.

'Our research indicates that the complexity of fault network geometry is the key factor and establishes meaningful connections between sets of independent observations and integrates them into a novel framework.'

The researchers say more work needs to be done to fully validate the model, but this initial work suggests the idea is promising, especially because the alignment or misalignment of faults is easier to measure than fault frictional properties. If valid, the work can one day be weaved into earthquake prediction models.

That remains far off for now as the researchers begin to outline how to build upon the study.

'The most obvious thing that comes next is trying to go beyond California and see how this model holds up,' Tsai said. 'This is potentially a new way of understanding how earthquakes happen.'

Journal information: Nature

Provided by Brown University