Η μηχανική ως η κορυφαία πρόβλεψη σεισμών

Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Brown ανακάλυψαν ότι η γεωμετρία των ρηγμάτων, συμπεριλαμβανομένων των εξαρθρώσεων και των πολύπλοκων δομών εντός των ζωνών ρήγματος, παίζει κρίσιμο ρόλο στον προσδιορισμό της πιθανότητας και της ισχύος ενός σεισμού. Αυτό το εύρημα, που βασίζεται σε μελέτες των γραμμών ρηγμάτων στην Καλιφόρνια, αμφισβητεί τις παραδοσιακές απόψεις που επικεντρώνονται κυρίως στην τριβή.

Ρίχνοντας μια πιο προσεκτική ματιά στη γεωμετρική σύνθεση των πετρωμάτων από τα οποία προέρχονται οι σεισμοί, οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Μπράουν προσθέτουν μια νέα ρυτίδα στη μακροχρόνια πεποίθηση σχετικά με το τι προκαλεί τους σεισμούς αρχικά.

Επανεξετάστηκε η δυναμική του σεισμού

Η έρευνα, περιγράφεται σε ένα πρόσφατα δημοσιευμένο άρθρο στο περιοδικό φύσηΑποκαλύπτει ότι ο τρόπος με τον οποίο είναι ευθυγραμμισμένα τα δίκτυα ρηγμάτων παίζει καθοριστικό ρόλο στον προσδιορισμό του πού συμβαίνει ένας σεισμός και πόσο ισχυρός είναι. Αυτά τα ευρήματα αμφισβητούν την παραδοσιακή ιδέα ότι είναι ο τύπος τριβής που συμβαίνει σε αυτά τα ρήγματα που διέπει πρωτίστως εάν συμβαίνουν ή όχι σεισμοί και θα μπορούσε να βελτιώσει την τρέχουσα κατανόηση του πώς λειτουργούν οι σεισμοί.

«Η εργασία μας απεικονίζει αυτή την πολύ διαφορετική εικόνα του γιατί συμβαίνουν οι σεισμοί», είπε ο Βίκτορ Τσάι, γεωφυσικός στο Πανεπιστήμιο Μπράουν και ένας από τους κύριους συγγραφείς της εργασίας. «Αυτό έχει πολύ σημαντικές συνέπειες για το πού αναμένεται να συμβούν σεισμοί έναντι εκείνων που δεν μπορούν να αναμένονται σεισμοί, καθώς και για την πρόβλεψη πού οι σεισμοί θα είναι πιο καταστροφικοί».

Παραδοσιακές απόψεις για τη σεισμική μηχανική

Οι γραμμές ρήγματος είναι τα ορατά όρια στην επιφάνεια του πλανήτη όπου οι συμπαγείς πλάκες που αποτελούν τη λιθόσφαιρα της Γης συγκρούονται μεταξύ τους. Για δεκαετίες, οι γεωφυσικοί ερμήνευσαν ότι οι σεισμοί συμβαίνουν όταν το άγχος συσσωρεύεται σε ρήγματα σε σημείο που τα ρήγματα γλιστρούν ή σπάνε γρήγορα το ένα πάνω στο άλλο, απελευθερώνοντας το κλειστό στρες σε μια ενέργεια γνωστή ως συμπεριφορά ολίσθησης, λέει ο Tsai.

Οι ερευνητές υπέθεσαν ότι η γρήγορη ολίσθηση και οι έντονες κινήσεις του εδάφους που ακολουθούν είναι το αποτέλεσμα ασταθούς τριβής που μπορεί να συμβεί σε ρήγματα. Αντίθετα, η ιδέα είναι ότι όταν η τριβή είναι σταθερή, οι πλάκες γλιστρούν η μία πάνω στην άλλη αργά χωρίς να συμβεί σεισμός. Αυτή η σταθερή, ομαλή κίνηση είναι επίσης γνωστή ως σέρνεται.

Νέες προοπτικές για τη συμπεριφορά της γραμμής σφαλμάτων

«Οι άνθρωποι προσπαθούν να μετρήσουν αυτές τις ιδιότητες τριβής, όπως το αν μια ζώνη ρήγματος έχει ασταθή τριβή ή σταθερή τριβή, και στη συνέχεια, με βάση τις εργαστηριακές μετρήσεις αυτού, προσπαθούν να προβλέψουν εάν θα έχετε ή όχι σεισμό εκεί», είπε ο Cai. Αυτός είπε. «Τα ευρήματά μας υποδηλώνουν ότι μπορεί να είναι πιο σημαντικό να εξετάσουμε τη γεωμετρία των ρηγμάτων σε αυτά τα δίκτυα ρηγμάτων, επειδή μπορεί να είναι η σύνθετη γεωμετρία των δομών γύρω από αυτά τα όρια που δημιουργεί αυτήν την ασταθή έναντι της σταθερής συμπεριφοράς».

Η γεωμετρία που πρέπει να ληφθεί υπόψη περιλαμβάνει πολυπλοκότητες στις υποκείμενες βραχώδεις δομές, όπως στροφές, κενά και σκαλοπάτια. Η μελέτη βασίζεται σε μαθηματική μοντελοποίηση και μελέτη ζωνών ρηγμάτων στην Καλιφόρνια χρησιμοποιώντας δεδομένα από τη Βάση Δεδομένων Τεταρτοταγών Ρηγμάτων του Γεωλογικού Ινστιτούτου των ΗΠΑ και από το Γεωλογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνια.

Αναλυτικά παραδείγματα και προηγούμενες έρευνες

Η ερευνητική ομάδα, η οποία περιλαμβάνει επίσης τον μεταπτυχιακό φοιτητή Brown Jaesuk Lee και τον Brown γεωφυσικό Greg Hirth, παρέχει ένα πιο λεπτομερές παράδειγμα για να δείξει πώς συμβαίνουν οι σεισμοί. Λένε να φαντάζεσαι ελαττώματα που συγκρούονται μεταξύ τους σαν να έχουν οδοντωτά δόντια σαν την άκρη ενός πριονιού.

Όταν υπάρχουν λιγότερα δόντια ή αμβλεία δόντια, τα βράχια γλιστρούν ο ένας πάνω στον άλλο πιο ομαλά, επιτρέποντας τη σύρσιμο. Αλλά όταν οι βραχοδομές σε αυτά τα ρήγματα είναι πιο περίπλοκες και τραχιές, αυτές οι δομές κολλάνε μεταξύ τους και κολλάνε. Όταν συμβαίνει αυτό, αυξάνουν την πίεση και τελικά καθώς τραβούν και πιέζουν πιο δυνατά, σπάνε, αποσυναρμολογούνται και προκαλούν σεισμούς.

Επιδράσεις γεωμετρικής πολυπλοκότητας

Η νέα μελέτη βασίζεται σε προηγούμενη δουλειά Σκεφτείτε γιατί ορισμένοι σεισμοί δημιουργούν μεγαλύτερη κίνηση του εδάφους σε σύγκριση με άλλους σεισμούς σε διαφορετικά μέρη του κόσμου, και μερικές φορές ακόμη και με εκείνους του ίδιου μεγέθους. Η μελέτη έδειξε ότι η σύγκρουση μπλοκ εντός μιας ζώνης ρήγματος κατά τη διάρκεια ενός σεισμού συμβάλλει σημαντικά στη δημιουργία δονήσεων υψηλής συχνότητας και δημιούργησε την ιδέα ότι ίσως η υποεπιφανειακή γεωμετρική πολυπλοκότητα παίζει επίσης ρόλο στο πού και γιατί συμβαίνουν οι σεισμοί.

Ανισορροπία και ένταση σεισμού

Αναλύοντας δεδομένα από ρήγματα στην Καλιφόρνια – που περιλαμβάνει το γνωστό ρήγμα του Σαν Αντρέας – οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι ζώνες ρηγμάτων που είχαν σύνθετη γεωμετρία από κάτω, που σημαίνει ότι οι δομές εκεί δεν ήταν παράλληλες, αποδείχθηκε ότι είχαν ισχυρότερες κινήσεις εδάφους από κινήσεις που ήταν λιγότερο γεωμετρικά συγκρότημα. Ζώνες σφαλμάτων. Αυτό σημαίνει επίσης ότι ορισμένες από αυτές τις περιοχές θα έχουν ισχυρότερους σεισμούς, άλλες θα έχουν πιο αδύναμους σεισμούς και άλλες δεν θα έχουν σεισμούς.

Οι ερευνητές το προσδιόρισαν με βάση τη μέση ανισορροπία των σφαλμάτων που ανέλυσαν. Αυτός ο λόγος κακής ευθυγράμμισης μετρά πόσο κοντά είναι τα σφάλματα σε μια δεδομένη περιοχή και όλα πηγαίνουν προς την ίδια κατεύθυνση έναντι πολλών διαφορετικών κατευθύνσεων. Η ανάλυση αποκάλυψε ότι οι ζώνες ρηγμάτων όπου τα ρήγματα είναι πιο λοξά προκαλούν επεισόδια ολίσθησης με τη μορφή σεισμών. Οι ζώνες ρήγματος όπου η γεωμετρία του ρήγματος ήταν πιο ευθυγραμμισμένη διευκόλυνε την ομαλή ερπυσμό του ρήγματος χωρίς σεισμούς.

«Η κατανόηση του πώς συμπεριφέρονται τα σφάλματα ως σύστημα είναι απαραίτητη για την κατανόηση του γιατί και πώς συμβαίνουν οι σεισμοί», είπε ο Λι, ο μεταπτυχιακός φοιτητής που ηγήθηκε της εργασίας. «Η έρευνά μας υποδηλώνει ότι η πολυπλοκότητα της αρχιτεκτονικής του δικτύου σφαλμάτων είναι ο βασικός παράγοντας και δημιουργεί ουσιαστικές συνδέσεις μεταξύ συνόλων ανεξάρτητων παρατηρήσεων και τις ενσωματώνει σε ένα νέο πλαίσιο».

Μελλοντικές κατευθύνσεις στην αντισεισμική έρευνα

Οι ερευνητές λένε ότι χρειάζεται να γίνει περισσότερη δουλειά για την πλήρη επικύρωση του μοντέλου, αλλά αυτή η προκαταρκτική εργασία υποδηλώνει ότι η ιδέα είναι πολλά υποσχόμενη, ειδικά επειδή η κακή ευθυγράμμιση ή η κακή ευθυγράμμιση είναι πιο εύκολο να μετρηθεί από τις ιδιότητες κακής ευθυγράμμισης. Εάν αυτή η εργασία είναι έγκυρη, θα μπορούσε κάποια μέρα να ενσωματωθεί σε μοντέλα πρόβλεψης σεισμών.

Αυτό παραμένει πολύ μακριά αυτή τη στιγμή, καθώς οι ερευνητές αρχίζουν να καθορίζουν πώς θα βασιστούν στη μελέτη.

«Το πιο προφανές πράγμα που ακολουθεί είναι να προσπαθήσουμε να πάμε πέρα ​​από την Καλιφόρνια και να δούμε πώς αντέχει αυτό το μοντέλο», είπε ο Τσάι. “Αυτός είναι δυνητικά ένας νέος τρόπος για να κατανοήσουμε πώς συμβαίνουν οι σεισμοί.”

Αναφορά: «Η γεωμετρία του δικτύου σφαλμάτων επηρεάζει τη συμπεριφορά τριβής των σεισμών» από τους Jaesuk Lee, Victor C. Tsai, Greg Hirth, Avigyan Chatterjee και Daniel T. Trugman, 5 Ιουνίου 2024, φύση.
doi: 10.1038/s41586-024-07518-6

Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών. Εκτός από τον Λι, τον Τσάι και τον Χιρθ, η ομάδα περιελάμβανε επίσης τους Avighyan Chatterjee και Daniel T. Trugman από το Πανεπιστήμιο της Νεβάδα στο Ρίνο.