Forskare vid Brown University har upptäckt att geometrin hos förkastningsnätverk, snarare än bara friktionen vid förkastningslinjer, avsevärt påverkar jordbävningens förekomst och intensitet. Kredit: Bladet.se.com
Brown University forskare fann att förkastningsgeometri, inklusive feljusteringar och komplexa strukturer inom förkastningszoner, spelar en avgörande roll för att bestämma sannolikheten för jordbävningar och styrka. Detta fynd, baserat på studier av Kaliforniens förkastningslinjer, utmanar traditionella åsikter som främst fokuserar på friktion.
Genom att ta en närmare titt på den geometriska sammansättningen av stenar där jordbävningar uppstår, lägger forskare vid Brown University till en ny rynka till en långvarig uppfattning om vad som orsakar seismiska skalv i första hand.
Att tänka om Earthquake Dynamics
Forskningen beskrivs i en nyligen publicerad artikel i tidskriften Natur, avslöjar att sättet som felnätverk är inriktade på spelar en avgörande roll för att avgöra var en jordbävning kommer att inträffa och dess styrka. Fynden utmanar den mer traditionella uppfattningen att det i första hand är den typ av friktion som sker vid dessa förkastningar som styr om jordbävningar inträffar eller inte, och de kan förbättra nuvarande förståelse för hur jordbävningar fungerar.
”Vårt papper målar upp en helt annan sorts bild av varför jordbävningar inträffar,” sa Brown geofysiker Victor Tsai, en av tidningens huvudförfattare. ”Och detta har mycket viktiga konsekvenser för var man kan förvänta sig jordbävningar kontra var man inte kan förvänta sig jordbävningar, såväl som för att förutsäga var de mest skadliga jordbävningarna kommer att vara.”
Traditionella synpunkter på jordbävningsmekanik
Förkastningslinjer är de synliga gränserna på planetens yta där de stela plattorna som utgör jordens litosfär borstar mot varandra. Tsai säger att geofysiker i årtionden har förklarat jordbävningar som inträffar när stress vid förkastningar byggs upp till den punkt där felen snabbt glider eller bryter förbi varandra, vilket släpper uppdämt tryck i en handling som kallas stick-slip-beteende.
Forskare teoretiserade att den snabba glidningen och de intensiva markrörelserna som följer är ett resultat av instabil friktion som kan uppstå vid förkastningarna. Däremot är tanken att när friktionen är stabil glider plattorna sedan långsamt mot varandra utan jordbävning. Denna stadiga och mjuka rörelse kallas även krypning.
Nya perspektiv på fellinjebeteende
”Människor har försökt mäta dessa friktionsegenskaper, som om förkastningszonen har instabil friktion eller stabil friktion och sedan, baserat på laboratoriemätningar av det, försöker de förutsäga om du kommer att få en jordbävning där eller inte,” Tsai sa. ”Våra resultat tyder på att det kan vara mer relevant att titta på geometrin hos felen i dessa felnätverk, eftersom det kan vara den komplexa geometrin hos strukturerna runt dessa gränser som skapar detta instabila kontra stabila beteende.”
Geometrin som ska beaktas inkluderar komplexiteter i de underliggande bergstrukturerna såsom böjar, springor och översteg. Studien är baserad på matematisk modellering och studier av förkastningszoner i Kalifornien med hjälp av data från US Geological Surveys Quaternary Fault Database och från California Geological Survey.
Detaljerade exempel och tidigare forskning
Forskargruppen, som även inkluderar Browns doktorand Jaeseok Lee och Browns geofysiker Greg Hirth, erbjuder ett mer detaljerat exempel för att illustrera hur jordbävningar inträffar. De säger att man ska föreställa sig de fel som borstar upp mot varandra som att de har tandade tänder som kanten på en såg.
När det finns färre tänder eller tänder som inte är lika vassa, glider stenarna förbi varandra smidigare, vilket möjliggör krypning. Men när bergstrukturerna i dessa förkastningar är mer komplexa och taggiga, fångar dessa strukturer varandra och fastnar. När det händer bygger de upp tryck och så småningom när de drar och trycker hårdare och hårdare, går de sönder, rycker från varandra och leder till jordbävningar.
Implikationer av geometrisk komplexitet
Den nya studien bygger på tidigare arbete med att titta på varför vissa jordbävningar genererar mer markrörelse jämfört med andra jordbävningar i olika delar av världen, ibland även de av liknande storlek. Studien visade att block som kolliderar inuti en förkastningszon när en jordbävning inträffar bidrar väsentligt till genereringen av högfrekventa vibrationer och väckte uppfattningen att kanske geometrisk komplexitet under ytan också spelade en roll i var och varför jordbävningar inträffar.
Felinriktning och jordbävningsintensitet
Genom att analysera data från förkastningar i Kalifornien – som inkluderar det välkända San Andreas-felet – fann forskarna att förkastningszoner som har komplex geometri under, vilket betyder att strukturerna där inte var lika inriktade, visade sig ha starkare markrörelser än mindre geometriskt komplexa förkastningszoner. Detta innebär också att vissa av dessa zoner skulle ha starkare jordbävningar, andra skulle ha svagare och vissa skulle inte ha några jordbävningar.
Forskarna fastställde detta baserat på den genomsnittliga feljusteringen av de fel som de analyserade. Detta felinställningsförhållande mäter hur nära felen i en viss region är inriktade och alla går i samma riktning jämfört med att gå i många olika riktningar. Analysen visade att förkastningszoner där förkastningarna är mer felinriktade orsakar stick-slip-episoder i form av jordbävningar. Förkastningszoner där förkastningarnas geometri var mer anpassade underlättade smidig förkastningskrypning utan jordbävningar.
”Att förstå hur fel beter sig som ett system är viktigt för att förstå varför och hur jordbävningar inträffar”, säger Lee, doktoranden som ledde arbetet. ”Vår forskning visar att komplexiteten i felnätverksgeometrin är nyckelfaktorn och etablerar meningsfulla kopplingar mellan uppsättningar av oberoende observationer och integrerar dem i ett nytt ramverk.”
Framtida riktningar inom jordbävningsforskning
Forskarna säger att mer arbete måste göras för att helt validera modellen, men detta inledande arbete tyder på att idén är lovande, särskilt eftersom inriktningen eller felinställningen av fel är lättare att mäta än felfriktionsegenskaper. Om det är giltigt kan arbetet en dag vävas in i jordbävningsmodeller.
Det är fortfarande långt borta för nu när forskarna börjar beskriva hur man bygger vidare på studien.
”Det mest uppenbara som kommer härnäst är att försöka gå bortom Kalifornien och se hur den här modellen håller,” sa Tsai. ”Det här är potentiellt ett nytt sätt att förstå hur jordbävningar uppstår.”
Forskningen stöddes av National Science Foundation. Tillsammans med Lee, Tsai och Hirth inkluderade teamet även Avigyan Chatterjee och Daniel T. Trugman från University of Nevada Reno.