Інженерія як провідний прогноз землетрусів

Дослідники з Університету Брауна виявили, що геометрія розломів, включаючи дислокації та складні структури в зонах розломів, відіграє вирішальну роль у визначенні ймовірності та сили землетрусу. Цей висновок, заснований на дослідженнях ліній розломів у Каліфорнії, кидає виклик традиційним поглядам, які зосереджуються переважно на терті.

Придивившись ближче до геометричного складу гірських порід, з яких відбуваються землетруси, дослідники з Університету Брауна додають нову складку в давнє переконання про те, що взагалі викликає землетруси.

Перегляд динаміки землетрусів

Дослідження, описане в нещодавно опублікованій статті в журналі природиВін показує, що спосіб розташування мереж розломів відіграє вирішальну роль у визначенні місця землетрусу та його сили. Ці висновки кидають виклик традиційній ідеї про те, що саме тип тертя, який виникає в цих розломах, головним чином визначає, чи відбуваються землетруси чи ні, і може покращити поточне розуміння того, як діють землетруси.

«Наша стаття малює зовсім іншу картину того, чому відбуваються землетруси», — сказав Віктор Цай, геофізик з Університету Брауна та один із провідних авторів статті. «Це має дуже важливі наслідки щодо того, де можна очікувати землетрусів, а не там, де землетрусів очікувати не можна, а також для прогнозування, де землетруси будуть найбільш руйнівними».

Традиційні погляди на механіку землетрусів

Лінії розломів — це видимі межі на поверхні планети, де тверді плити, що утворюють літосферу Землі, стикаються одна з одною. Десятиліттями геофізики вважали, що землетруси відбуваються, коли напруга накопичується на розломах до точки, коли розломи швидко ковзають або розриваються одна над одною, вивільняючи стриману напругу в дії, відомому як поведінка ковзання, каже Цай.

Дослідники припустили, що швидке ковзання та інтенсивні рухи грунту, які слідують за цим, є результатом нестабільного тертя, яке може виникнути на розломах. Навпаки, ідея полягає в тому, що коли тертя стабільне, плити повільно ковзають одна об одну, не викликаючи землетрусу. Цей рівномірний, плавний рух також відомий як повзання.

Нові погляди на поведінку лінії розлому

«Люди намагаються виміряти ці властивості тертя, наприклад, чи має зона розлому нестабільне тертя чи стабільне тертя, а потім, ґрунтуючись на лабораторних вимірюваннях цього, вони намагаються передбачити, чи буде у вас там землетрус чи ні», — сказав Цай. Він сказав. «Наші висновки свідчать про те, що може бути більш важливим дивитися на геометрію розломів у цих мережах розломів, тому що це може бути складна геометрія структур навколо цих кордонів, яка створює цю нестабільну проти стабільної поведінки».

Геометрія, яку слід враховувати, включає складності в підстилаючих скельних структурах, таких як вигини, проміжки та сходинки. Дослідження базується на математичному моделюванні та вивченні зон розломів у Каліфорнії з використанням даних із Бази даних четвертинних розломів Геологічної служби США та Геологічної служби Каліфорнії.

Детальні приклади та попередні дослідження

Дослідницька група, до якої також входять аспірант Університету Брауна Джесук Лі та геофізик Грег Хірт, надає більш детальний приклад, щоб проілюструвати, як відбуваються землетруси. Кажуть, уявляти дефекти, що стикаються один з одним, як зубці, наче лезо пилки.

Коли зубів менше або тупих зубів, каміння ковзає одне по одному плавніше, дозволяючи повзати. Але коли структури гірських порід у цих розломах більш складні та шорсткі, ці структури злипаються і злипаються. Коли це відбувається, вони збільшують тиск, і врешті-решт, коли вони тягнуть і штовхають сильніше, вони ламаються, розриваючись і викликаючи землетруси.

Ефекти геометричної складності

Нове дослідження базується на попередня робота Поміркуйте, чому деякі землетруси викликають сильніші рухи ґрунту порівняно з іншими землетрусами в різних частинах світу, а іноді навіть із землетрусами такої ж величини. Дослідження показало, що зіткнення блоків у зоні розлому під час землетрусу значно сприяє генерації високочастотних коливань, і підняло ідею про те, що, можливо, геометрична складність підземної поверхні також відіграє роль у тому, де і чому відбуваються землетруси.

Дисбаланс та інтенсивність землетрусів

Аналізуючи дані про розломи в Каліфорнії, включаючи добре відомий розлом Сан-Андреас, дослідники виявили, що зони розломів, які мали складну геометрію під собою, тобто структури там не були паралельними, виявилися сильнішими, ніж рухи, які були менш геометричними. складні. Зони помилок. Це також означає, що в деяких із цих областей будуть сильніші землетруси, в інших – слабкіші, а в деяких не буде землетрусів.

Дослідники визначили це на основі середнього дисбалансу проаналізованих помилок. Цей коефіцієнт неузгодженості вимірює, наскільки близько розломи розташовані в даній області та всі вони йдуть в одному напрямку, а не в різних напрямках. Аналіз показав, що зони розломів, де розломи більш косі, викликають епізоди ковзання у вигляді землетрусів. Зони розломів, де геометрія розлому була більш вирівняною, сприяли плавному повзучому розлому без землетрусів.

«Розуміння того, як розломи поводяться як система, має важливе значення для розуміння того, чому і як відбуваються землетруси», — сказав Лі, аспірант, який керував роботою. «Наше дослідження показує, що складність архітектури мережі помилок є ключовим фактором і створює значущі зв’язки між наборами незалежних спостережень та об’єднує їх у нову структуру».

Майбутні напрямки дослідження землетрусів

Дослідники кажуть, що для повної перевірки моделі потрібно зробити більше, але ця попередня робота свідчить про багатообіцяючу ідею, особливо тому, що зміщення або зміщення легше виміряти, ніж властивості зміщення. Якщо ця робота достовірна, її одного разу можна буде включити в моделі прогнозування землетрусів.

На даний момент це ще далеко, оскільки дослідники починають визначати, як продовжити дослідження.

«Найбільш очевидна річ, яка буде наступною, — це спробувати вийти за межі Каліфорнії та подивитися, як ця модель тримається», — сказав Цай. «Це потенційно новий спосіб зрозуміти, як відбуваються землетруси».

Довідка: «Геометрія мережі розломів впливає на фрикційну поведінку землетрусів», Джесук Лі, Віктор К. Цай, Грег Хірт, Авігян Чаттерджі та Деніел Т. Тругмен, 5 червня 2024 р. природи.
doi: 10.1038/s41586-024-07518-6

Дослідження було підтримано Національним науковим фондом. Окрім Лі, Цая та Хірта, до команди також увійшли Авіг’ян Чаттерджі та Деніел Т. Тругман з Університету Невади, Ріно.