Nowe odkrycia kwestionują tradycyjne przekonania na temat przyczyn trzęsień ziemi

5 czerwca 2024

Artykuł ten został przejrzany zgodnie z procesem redakcyjnym i polityką Science X. Redaktorzy wyróżnili następujące atrybuty, zapewniając wiarygodność treści:

• Sprawdzony pod kątem faktów
• Opublikowany po recenzji
• Zaufane źródło
• Skorygowany

przez Uniwersytet Brown

Biorąc pod lupę geometryczny skład skał, w których występują trzęsienia ziemi, naukowcy z Brown University wprowadzają nową zmianę do długo utrzymującego się przekonania na temat tego, co najpierw powoduje trzęsienia sejsmiczne.

Prace, opisane w czasopiśmie Nature, pokazują, że sposób, w jaki ustawione są sieci uskoków, odgrywa kluczową rolę w określaniu, gdzie wystąpi trzęsienie ziemi i jakie będzie miało siłę.

Wyniki zaprzeczają bardziej tradycyjnej koncepcji, że to przede wszystkim rodzaj tarcia występującego na tych uskokach rządzi tym, czy trzęsienia ziemi się zdarzają, czy nie, i mogą zwiększyć obecne zrozumienie tego, jak działają trzęsienia ziemi.

'Nasz artykuł maluje ten odmienny obraz, dlaczego trzęsienia ziemi się zdarzają', powiedział geofizyk z Brown, Victor Tsai, jeden z głównych autorów pracy. 'To ma bardzo ważne konsekwencje dla określania, gdzie spodziewać się trzęsień ziemi, a gdzie ich nie oczekiwać, jak również dla przewidywania, gdzie zdarzą się najbardziej niszczycielskie trzęsienia ziemi.'.

Linie uskoków to widoczne granice na powierzchni planety, w miejscach gdzie sztywne płyty skorupy Ziemi ocierają się o siebie nawzajem. Tsai mówi, że przez dekady geofizycy tłumaczyli trzęsienia ziemi jako zdarzenia, kiedy napięcie w uskokach narasta do momentu, kiedy uskoki szybko się przesuwają lub przepychają przez siebie, uwalniając nagromadzone ciśnienie w akcji znanym jako działanie sztywno-ślizgowe.

Badacze teoretyzowali, że nagłe poślizgi i intensywne ruchy ziemi, które następują po, są wynikiem niestabilnego tarcia, które może wystąpić na uskokach. W przeciwieństwie do tego, myślano, że kiedy tarcie jest stabilne, płyty przesuwają się względem siebie wolno, bez trzęsienia ziemi. Ta stała i płynna ruch jest również znane jako pełzanie.

'Ludzie próbowali mierzyć te właściwości tarcia, jak to, czy strefa uskoku ma tarcie niestabilne czy stabilne, a potem, na podstawie pomiarów laboratoryjnych tego, próbowali przewidzieć, czy na pewno tam będzie trzęsienie ziemi, czy nie", powiedział Tsai.'

'Nasze wyniki sugerują, że może być bardziej istotne spojrzenie na geometrię uskoków w tych sieciach uskoków, ponieważ to właśnie skomplikowana geometria struktur wokół tych granic może tworzyć to niestabilne versus stabilne zachowanie.'

Do rozważenia geometrii należy złożoność podstawowych struktur skalnych, takich jak zakręty, przerwy i stopnie. Badanie opiera się na modelowaniu matematycznym i badaniu stref uskoków w Kalifornii, wykorzystując dane z Quaternary Fault Database US Geological Survey i z California Geological Survey.

Zespół badawczy, który obejmuje również Jaeseok Lee, studenta podyplomowego z Brown, i geofizyka z Brown, Grega Hirtha, przedstawia bardziej szczegółowy przykład, ilustrujący, jak dochodzi do trzęsień ziemi. Mówią, że trzeba sobie wyobrazić uskoki, które ocierają się o siebie, jako posiadające zęby jak ostrze piły.

Kiedy zębów jest mniej lub zęby nie są tak ostre, skały przesuwają się względem siebie płynniej, co pozwala na pełzanie. Ale kiedy struktury skalne w tych uskokach są bardziej złożone i wystające, te struktury zaczepiają się o siebie i zacinają. Kiedy to się dzieje, gromadzą ciśnienie i ostatecznie, jak pociągają i popychają coraz mocniej, łamią się, odskakując od siebie i prowadząc do trzęsień ziemi.

Nowe badanie nawiązuje do wcześniejszych prac badających, dlaczego niektóre trzęsienia ziemi generują więcej ruchów ziemi w porównaniu do innych trzęsień ziemi w różnych częściach świata, czasami nawet tych o podobnej skali.

Badanie wykazało, że zderzające się bloki w strefie uskoku podczas trzęsienia ziemi znacząco przyczyniają się do generowania drgań o wysokiej częstotliwości i zasugerowały, że może złożona kompleksowość pod powierzchnią również odgrywa rolę w tym, gdzie i dlaczego dochodzi do trzęsień ziemi.

Analizując dane z uskoków w Kalifornii - które obejmują dobrze znaną San Andreas - badacze odkryli, że strefy uskoków, które mają pod powierzchnią złożoną geometrię, to znaczy, że struktury tam nie są tak dobrze ustawione, okazały się wywoływać silniejsze ruchy gruntów niż mniej geometrycznie złożone strefy uskoków. Oznacza to również, że niektóre z tych stref miałyby silniejsze trzęsienia ziemi, inne miałyby słabsze, a niektóre nie miałyby w ogóle trzęsień ziemi.

Badacze ustalili to na podstawie średniego niezarównania analizowanych uskoków. Ten współczynnik niezgodności mierzy, jak blisko uskoki w danym regionie są ustawione i wszystkie idą w tym samym kierunku, czy w wielu różnych kierunkach.

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