Инженерное дело как ведущий метод прогнозирования землетрясений

Исследователи из Университета Брауна обнаружили, что геометрия разломов, включая дислокации и сложные структуры внутри зон разломов, играет решающую роль в определении вероятности и силы землетрясения. Это открытие, основанное на исследованиях линий разломов в Калифорнии, бросает вызов традиционным взглядам, которые сосредоточены в первую очередь на трении.

Присмотревшись к геометрическому составу горных пород, из которых возникают землетрясения, исследователи из Университета Брауна добавляют новую грань к давнему убеждению о том, что вообще вызывает землетрясения.

Еще раз о динамике землетрясений

Исследование, описанное в недавно опубликованной статье в журнале природаЭто показывает, что то, как выровнены сети разломов, играет решающую роль в определении того, где произойдет землетрясение и насколько оно сильное. Эти результаты бросают вызов традиционному представлению о том, что именно тип трения, возникающий в этих разломах, в первую очередь определяет, происходят землетрясения или нет, и могут улучшить нынешнее понимание того, как происходят землетрясения.

«Наша статья рисует совсем другую картину того, почему происходят землетрясения», — сказал Виктор Цай, геофизик из Университета Брауна и один из ведущих авторов статьи. «Это имеет очень важные последствия для определения того, где можно ожидать землетрясений, а где землетрясения ожидать нельзя, а также для прогнозирования того, где землетрясения будут наиболее разрушительными».

Традиционные взгляды на механику землетрясений

Линии разломов — это видимые границы на поверхности планеты, где твердые плиты, составляющие литосферу Земли, сталкиваются друг с другом. На протяжении десятилетий геофизики интерпретировали землетрясения как происходящие, когда напряжение на разломах накапливается до такой степени, что разломы быстро скользят или ломаются друг над другом, высвобождая сдерживаемое напряжение в процессе, известном как поведение скольжения, говорит Цай.

Исследователи предположили, что быстрое скольжение и последовавшие за ним интенсивные движения грунта являются результатом нестабильного трения, которое может возникать при разломах. Напротив, идея состоит в том, что когда трение стабильно, плиты медленно скользят друг по другу, не вызывая землетрясений. Это устойчивое, плавное движение также известно как ползание.

Новые взгляды на поведение линий разлома

«Люди пытаются измерить эти свойства трения, например, имеет ли зона разлома нестабильное или стабильное трение, а затем, основываясь на лабораторных измерениях этого показателя, они пытаются предсказать, произойдет ли там землетрясение или нет», — сказал Цай. Он сказал. «Наши результаты показывают, что, возможно, более важно взглянуть на геометрию разломов в этих сетях разломов, потому что именно сложная геометрия структур вокруг этих границ создает такое нестабильное и стабильное поведение».

Геометрия, которую следует учитывать, включает в себя сложные структуры нижележащих горных пород, такие как изгибы, зазоры и ступеньки. Исследование основано на математическом моделировании и изучении зон разломов в Калифорнии с использованием данных из базы данных четвертичных разломов Геологической службы США и Геологической службы Калифорнии.

Подробные примеры и предыдущие исследования

Исследовательская группа, в которую также входят аспирант Университета Брауна Джесук Ли и геофизик Грег Хирт, предоставляет более подробный пример, иллюстрирующий, как происходят землетрясения. Они говорят, что дефекты, сталкивающиеся друг с другом, нужно представлять как имеющие зазубренные зубья, подобные лезвию пилы.

Когда зубов меньше или они тупые, камни скользят друг по другу более плавно, позволяя ползать. Но когда горные структуры в этих разломах более сложные и шероховатые, эти структуры слипаются и слипаются. Когда это происходит, они увеличивают давление и, в конечном итоге, по мере того, как они тянут и толкают сильнее, ломаются, разрываются и вызывают землетрясения.

Эффекты геометрической сложности

Новое исследование основано на Предыдущая работа Подумайте, почему некоторые землетрясения вызывают большее движение грунта по сравнению с другими землетрясениями в разных частях мира, а иногда даже с землетрясениями той же магнитуды. Исследование показало, что столкновение блоков внутри зоны разлома во время землетрясения вносит значительный вклад в генерацию высокочастотных вибраций, и породило идею о том, что, возможно, геометрическая сложность недр также играет роль в том, где и почему происходят землетрясения.

Дисбаланс и интенсивность землетрясений

Анализируя данные по разломам в Калифорнии, в том числе по известному разлому Сан-Андреас, исследователи обнаружили, что зоны разломов, которые имели сложную геометрию под ними, то есть структуры там не были согласованными, имели более сильные движения грунта, чем движения, которые были менее геометрически. сложный. Зоны ошибок. Это также означает, что в некоторых из этих областей землетрясения будут более сильные, в других — более слабые, а в некоторых землетрясения не произойдут.

Исследователи определили это на основе среднего дисбаланса проанализированных ими ошибок. Этот коэффициент смещения измеряет, насколько близко расположены разломы в данной области и все они идут в одном направлении, а не в разных направлениях. Анализ показал, что зоны разломов, где разломы более наклонные, вызывают эпизоды сдвигов в виде землетрясений. Зоны разломов, где геометрия разлома была более выровненной, способствовали плавному ползанию разлома без землетрясений.

«Понимание того, как разломы ведут себя как система, необходимо для понимания того, почему и как происходят землетрясения», — сказал Ли, аспирант, руководивший работой. «Наше исследование показывает, что сложность архитектуры сети ошибок является ключевым фактором и создает значимые связи между наборами независимых наблюдений и интегрирует их в новую структуру».

Будущие направления исследований землетрясений

Исследователи говорят, что необходимо проделать дополнительную работу, чтобы полностью проверить модель, но эта предварительная работа предполагает, что идея многообещающая, особенно потому, что смещение или несоосность легче измерить, чем свойства смещения. Если эта работа окажется достоверной, однажды ее можно будет включить в модели прогнозирования землетрясений.

На данный момент до этого еще далеко, поскольку исследователи начинают определять, как развивать исследование.

«Самое очевидное, что будет дальше, — это попытаться выйти за пределы Калифорнии и посмотреть, насколько эта модель себя оправдывает», — сказал Цай. «Это потенциально новый способ понять, как происходят землетрясения».

Ссылка: «Геометрия сети разломов влияет на фрикционное поведение землетрясений», Джесук Ли, Виктор К. Цай, Грег Хирт, Авигьян Чаттерджи и Дэниел Т. Тругман, 5 июня 2024 г., природа.
дои: 10.1038/s41586-024-07518-6

Исследование было поддержано Национальным научным фондом. Помимо Ли, Цая и Хирта, в команду также входили Авигьян Чаттерджи и Дэниел Тругман из Университета Невады, Рино.