Nya upptäckter utmanar traditionella uppfattningar om orsaken till jordbävningar

5 juni, 2024

Denna artikel har granskats enligt Science X's redaktionella process och policy. Redaktörer har framhävt följande egenskaper för att säkerställa innehållets trovärdighet:

• faktagranskad
• granskad av ett vetenskapligt organ
• tillförlitlig källa
• korrekturläst

av Brown University

Genom att noggrant titta på de geometriska sammansättningarna av de stenar där jordbävningar startar, lägger forskare vid Brown University till en ny aspekt till en långvarig uppfattning om vad som orsakar seismiska jordbävningar från början.

Studien, som beskrivs i tidskriften Nature, avslöjar att sättet som felområdens nätverk är inriktade spelar en avgörande roll i att avgöra var en jordbävning kommer att inträffa och dess styrka.

Resultaten utmanar den mer traditionella uppfattningen att det främst är typen av friktion som sker vid dessa felområden som styr om jordbävningar inträffar eller ej, de skulle kunna förbättra nuvarande förståelser för hur jordbävningar fungerar.

'Vår artikel målar denna helt annorlunda bild av varför jordbävningar inträffar,' sa Brown geofysiker Victor Tsai, en av papprets huvudförfattare. 'Och detta har mycket viktiga konsekvenser för var man kan förvänta sig jordbävningar och var man inte kan förvänta sig jordbävningar, samt för förutsägelser om var de mest skadliga jordbävningarna kommer att vara.'

Störningslinjer är de synliga gränserna på planetens yta där de stela skikt som utgör jordens litosfär borstar mot varandra. Tsai säger att geofysiker i årtionden har förklarat jordbävningar som händelser när påfrestningar vid dessa störningar bygger upp till den punkt där störningarna snabbt glider eller bryter förbi varandra, vilket släpper ut inburen energi i en rörelse som kallas stick-slip-beteende.

Forskare tror att det snabba glidandet och de intensiva markrörelser som följer är ett resultat av instabil friktion som kan hända vid felområdena. I kontrast är tanken att när friktionen är stabil så glider skikten långsamt mot varandra utan en jordbävning. Denna jämna och smidiga rörelse kallas också kräpning.

'Folk har försökt mäta dessa friktionsegenskaper, som om felzonen har instabil friktion eller stabil friktion och sedan, baserat på laboratoriemätningar av det, försöker de förutsäga om du kommer att ha en jordbävning där eller inte,' sa Tsai.

'Våra resultat tyder på att det kan vara mer relevant att titta på felområdenas geometri i dessa felområdesnätverk, eftersom det kanske är de komplexa geometrierna i strukturerna kring dessa gränser som skapar detta instabila kontra stabila beteende.'

Geometrin att beakta inkluderar komplexiteter i de underliggande stenstrukturerna såsom böjningar, luckor och stegvisningar. Studien baseras på matematisk modellering och studier av felzoner i Kalifornien med hjälp av data från U.S. Geological Surveys kvartära felområdesdatabas och från Kaliforniens geologiska undersökning.

Forskargruppen, som också inkluderar Brown doktorand Jaeseok Lee och Brown geofysiker Greg Hirth, ger ett mer detaljerat exempel för att illustrera hur jordbävningar händer. De säger att man ska föreställa sig att de fel som borstar mot varandra har sågtandade tänder som en sågs kant.

När det finns färre tänder eller tänder som inte är lika skarpa, glider stenarna förbi varandra mer smidigt, vilket möjliggör kräpning. Men när stenstrukturerna i dessa fel är mer komplexa och sönderrivna, fastnar de på varandra och stannar upp. När det händer bygger de upp tryck och så småningom, när de drar och knuffar hårdare och hårdare,spricker de, rycker bort från varandra och leder till jordbävningar.

Den nya studien bygger på tidigare arbete som tittar på varför vissa jordbävningar genererar mer markrörelse jämfört med andra jordbävningar på olika delar av världen, ibland även de av liknande storlek.

Studien visade att block som kolliderar inom ett felområde när en jordbävning inträffar bidrar signifikant till skapandet av högfrekventa vibrationer och förde tanken att kanske geometrisk komplexitet under ytan också spelade en roll i var och varför jordbävningar inträffar.

Genom att analysera data från fel i Kalifornien - vilket inkluderar den välkända San Andreas-felområdet - upptäckte forskarna att felzoner som har komplex geometri under, vilket betyder att strukturerna där inte var så inriktade, visade sig ha starkare markrörelser än mindre geometriskt komplexa felområden. Detta innebär också att vissa av dessa zoner skulle ha starkare jordbävningar, andra skulle ha svagare och vissa skulle inte ha några jordbävningar.

Forskarna bestämde detta baserat på den genomsnittliga missförhållning av de fel de analyserade. Denna missförhållningförhållande mäter hur noga felen i en viss region är inriktade och alla går i samma riktning jämfört med att gå i många olika riktningar.

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