A mérnöki tudomány, mint a vezető földrengés-előrejelzés

A Brown Egyetem kutatói azt találták, hogy a hibageometria, beleértve a diszlokációkat és a hibazónákon belüli összetett struktúrákat, kritikus szerepet játszik a földrengések valószínűségének és erősségének meghatározásában. Ez a kaliforniai törésvonalak tanulmányain alapuló megállapítás megkérdőjelezi azokat a hagyományos nézeteket, amelyek elsősorban a súrlódásra összpontosítanak.

A Brown Egyetem kutatói azáltal, hogy közelebbről megvizsgálják a kőzetek geometriai összetételét, amelyekből a földrengések származnak, új ráncot adnak a földrengések okairól szóló, régóta fennálló hiedelmet illetően.

Újra áttekintették a földrengések dinamikáját

A kutatást a folyóiratban nemrég megjelent cikk ismerteti természetFeltárja, hogy a hibahálózatok összehangolásának módja döntő szerepet játszik a földrengés helyének és erősségének meghatározásában. Ezek az eredmények megkérdőjelezik azt a hagyományos elképzelést, hogy az ezeknél a hibáknál fellépő súrlódások típusa határozza meg elsősorban, hogy előfordul-e földrengés vagy sem, és javíthatja a földrengések működésének jelenlegi megértését.

„A mi dolgozatunk nagyon eltérő képet fest arról, hogy miért történnek földrengések” – mondta Victor Tsai, a Brown Egyetem geofizikusa és a lap egyik vezető szerzője. „Ennek nagyon fontos következményei vannak arra nézve, hogy hol várhatóak földrengések, szemben azzal, ahol nem, és arra is, hogy megjósolják, hol lesznek a legkárosabb földrengések.”

Hagyományos nézetek a földrengés mechanikájáról

A törésvonalak azok a látható határvonalak a bolygó felszínén, ahol a Föld litoszféráját alkotó szilárd lemezek ütköznek egymással. A geofizikusok évtizedek óta úgy értelmezték a földrengéseket, hogy akkor fordulnak elő, amikor a feszültségek olyan mértékben felhalmozódnak a hibákon, hogy a hibák gyorsan átcsúsznak vagy áttörnek egymáson, felszabadítva a felgyülemlett feszültséget egy csúszási viselkedésként ismert cselekvés során, mondja Tsai.

A kutatók azt feltételezték, hogy a gyors csúszás és az azt követő intenzív talajmozgások a hibáknál fellépő instabil súrlódás következményei. Ezzel szemben az ötlet az, hogy ha a súrlódás stabil, a lemezek lassan csúsznak egymásnak, anélkül, hogy földrengés lépne fel. Ezt az egyenletes, sima mozgást kúszásnak is nevezik.

Új perspektívák a törésvonal viselkedéséről

„Az emberek megpróbálják mérni ezeket a súrlódási tulajdonságokat, például azt, hogy egy hibazónában van-e instabil vagy stabil súrlódás, majd ennek laboratóriumi mérései alapján megpróbálják megjósolni, hogy lesz-e földrengés ott vagy sem” – mondta Cai. Ő mondta. „Eredményeink azt sugallják, hogy fontosabb lehet megvizsgálni a hibák geometriáját ezekben a hibahálózatokban, mert lehet, hogy a határok körüli struktúrák összetett geometriája hozza létre ezt az instabil versus stabil viselkedést.”

A figyelembe veendő geometria magában foglalja az alatta lévő kőzetszerkezetek bonyolultságait, például a hajlatokat, réseket és lépcsőket. A tanulmány a kaliforniai törészónák matematikai modellezésén és tanulmányozásán alapul, felhasználva az US Geological Survey Quaternary Faults Database és a California Geological Survey adatait.

Részletes példák és korábbi kutatások

A kutatócsoport, amelyben a Brown Egyetem végzős hallgatója, Jaesuk Lee és Greg Hirth geofizikus is helyet kapott, részletesebb példával illusztrálja a földrengések előfordulását. Azt mondják, hogy képzeljük el az egymással ütköző hibákat úgy, mintha fogazott fogaik vannak, mint a fűrész éle.

Ha kevesebb vagy tompa fog van, a sziklák simábban csúsznak egymáson, lehetővé téve a kúszást. De amikor ezekben a törésekben a sziklaszerkezetek összetettebbek és durvábbak, ezek a szerkezetek összetapadnak és összetapadnak. Amikor ez megtörténik, növelik a nyomást, és végül, ahogy erősebben húznak és nyomnak, eltörnek, széthúzódnak és földrengéseket okoznak.

A geometriai komplexitás hatásai

Az új tanulmány azon alapul előző munka Fontolja meg, hogy egyes földrengések miért generálnak nagyobb földmozgást, mint más földrengések a világ különböző részein, és néha még az azonos erősségűek is. A tanulmány kimutatta, hogy a blokkok ütközése egy törészónán belül egy földrengés során jelentősen hozzájárul a magas frekvenciájú rezgések kialakulásához, és felvetette az ötletet, hogy talán a felszín alatti geometriai összetettség is szerepet játszik abban, hogy hol és miért fordulnak elő földrengések.

A földrengések kiegyensúlyozatlansága és intenzitása

A kaliforniai hibák adatait elemezve – amely magában foglalja a jól ismert San Andreas-törést is – a kutatók azt találták, hogy az alatta bonyolult geometriájú, vagyis az ottani szerkezetek nem párhuzamos törészónái erősebb talajmozgást mutattak, mint a kevésbé geometriai mozgások. összetett. Hibazónák. Ez azt is jelenti, hogy egyes területeken erősebb földrengések, mások gyengébbek lesznek, és egyes területeken nem lesz földrengés.

A kutatók ezt az általuk elemzett hibák átlagos kiegyensúlyozatlansága alapján határozták meg. Ez az eltérési arány azt méri, hogy a hibák milyen közel vannak egy adott területen, és mindegyik ugyanabba az irányba megy, szemben a különböző irányokba való haladással. Az elemzés feltárta, hogy azok a törészónák, ahol a hibák ferdebbek, földrengések formájában csúszásos epizódokat okoznak. Azok a törészónák, ahol a hibageometria jobban igazodott, megkönnyítették a hiba sima, földrengések nélküli kúszását.

„A hibák rendszerkénti viselkedésének megértése elengedhetetlen ahhoz, hogy megértsük, miért és hogyan fordulnak elő földrengések” – mondta Lee, a munkát vezető végzős hallgató. „Kutatásunk azt sugallja, hogy a hibahálózati architektúra összetettsége a kulcstényező, és értelmes kapcsolatokat hoz létre a független megfigyelések halmazai között, és integrálja őket egy új keretrendszerbe.”

A földrengéskutatás jövőbeli irányai

A kutatók szerint még több munkát kell végezni a modell teljes validálásához, de ez az előzetes munka azt sugallja, hogy az ötlet ígéretes, különösen azért, mert az eltolódást vagy eltolódást könnyebb mérni, mint az eltolódási tulajdonságokat. Ha ez a munka érvényes, egy napon beépíthető a földrengés-előrejelzési modellekbe.

Ez jelenleg még messze van, mivel a kutatók kezdik meghatározni, hogyan építsenek a tanulmányra.

„A legnyilvánvalóbb dolog, ami ezután következik, az, hogy megpróbálunk túllépni Kalifornián, és megnézni, hogyan állja meg a helyét ez a modell” – mondta Tsai. „Ez potenciálisan új módja annak, hogy megértsük, hogyan fordulnak elő földrengések.”

Hivatkozás: „A hibahálózat geometriája befolyásolja a földrengések súrlódási viselkedését”, Jaesuk Lee, Victor C. Tsai, Greg Hirth, Avigyan Chatterjee és Daniel T. Trugman, 2024. június 5. természet.
doi: 10.1038/s41586-024-07518-6

A kutatást a Nemzeti Tudományos Alapítvány támogatta. Li, Tsai és Hirth mellett a csapat tagja volt Avighyan Chatterjee és Daniel T. Trugman is, a Renói Nevadai Egyetemről.