Engineering als de belangrijkste aardbevingsvoorspelling

Onderzoekers van Brown University ontdekten dat breukgeometrie, inclusief dislocaties en complexe structuren binnen breukzones, een cruciale rol speelt bij het bepalen van de waarschijnlijkheid en kracht van een aardbeving. Deze bevinding, gebaseerd op onderzoek naar breuklijnen in Californië, daagt traditionele opvattingen uit die zich primair op wrijving richten.

Door de geometrische samenstelling van de rotsen waar aardbevingen vandaan komen nader te bekijken, voegen onderzoekers van Brown University een nieuwe rimpel toe aan het lang gekoesterde geloof over wat aardbevingen überhaupt veroorzaakt.

De dynamiek van aardbevingen opnieuw bekeken

Het onderzoek wordt beschreven in een recent gepubliceerd artikel in het tijdschrift natuurHet laat zien dat de manier waarop breuknetwerken zijn uitgelijnd een cruciale rol speelt bij het bepalen waar een aardbeving plaatsvindt en hoe sterk deze is. Deze bevindingen dagen het traditionele idee uit dat het soort wrijving dat optreedt bij deze fouten in de eerste plaats bepaalt of aardbevingen plaatsvinden of niet, en zou het huidige begrip van hoe aardbevingen werken kunnen verbeteren.

“Ons artikel schetst een heel ander beeld van waarom aardbevingen plaatsvinden”, zegt Victor Tsai, een geofysicus aan de Brown University en een van de hoofdauteurs van het artikel. “Dit heeft zeer belangrijke implicaties voor waar aardbevingen kunnen worden verwacht en waar aardbevingen niet kunnen worden verwacht, en ook voor het voorspellen waar aardbevingen het meest schadelijk zullen zijn.”

Traditionele opvattingen over aardbevingsmechanica

Breuklijnen zijn de zichtbare grenzen op het oppervlak van de planeet waar de massieve platen waaruit de lithosfeer van de aarde bestaat, met elkaar botsen. Decennia lang hebben geofysici geïnterpreteerd dat aardbevingen optreden wanneer de spanning zich op breuken opbouwt tot het punt waarop de breuken snel over elkaar glijden of breken, waardoor opgekropte spanning vrijkomt in een actie die bekend staat als slipgedrag, zegt Tsai.

De onderzoekers veronderstelden dat de snelle slip en de intense grondbewegingen die daarop volgen het gevolg zijn van onstabiele wrijving die bij breuken kan optreden. Het idee is daarentegen dat wanneer de wrijving stabiel is, platen langzaam tegen elkaar schuiven zonder dat er een aardbeving optreedt. Deze gestage, soepele beweging wordt ook wel kruipen genoemd.

Nieuwe perspectieven op breuklijngedrag

“Mensen proberen deze wrijvingseigenschappen te meten, bijvoorbeeld of een breukzone onstabiele of stabiele wrijving heeft, en vervolgens, op basis van laboratoriummetingen daarvan, proberen ze te voorspellen of je daar wel of niet een aardbeving zult krijgen,” zei Cai. Hij zei. “Onze bevindingen suggereren dat het misschien belangrijker is om naar de geometrie van fouten in deze breuknetwerken te kijken, omdat het de complexe geometrie van de structuren rond die grenzen kan zijn die dit onstabiele versus stabiele gedrag creëert.”

De te overwegen geometrie omvat complexiteiten in de onderliggende rotsstructuren, zoals bochten, gaten en treden. De studie is gebaseerd op wiskundige modellen en studie van breukzones in Californië met behulp van gegevens uit de Quaternary Faults Database van de US Geological Survey en uit de California Geological Survey.

Gedetailleerde voorbeelden en eerder onderzoek

Het onderzoeksteam, waartoe ook Jaesuk Lee, afgestudeerde student aan de Brown University en geofysicus Greg Hirth behoren, geeft een gedetailleerder voorbeeld om te illustreren hoe aardbevingen ontstaan. Ze zeggen dat je defecten die met elkaar in botsing komen, moet voorstellen als gekartelde tanden, zoals de rand van een zaag.

Als er minder tanden of stompe tanden zijn, glijden stenen soepeler over elkaar, waardoor kruipen mogelijk wordt. Maar wanneer de rotsstructuren in deze breuken complexer en ruwer zijn, blijven deze structuren aan elkaar plakken. Wanneer dit gebeurt, verhogen ze de druk, en uiteindelijk breken ze, als ze harder trekken en duwen, waardoor ze uit elkaar trekken en aardbevingen veroorzaken.

Effecten van geometrische complexiteit

Het nieuwe onderzoek is gebaseerd op vorige baan Bedenk waarom sommige aardbevingen een grotere grondbeweging veroorzaken vergeleken met andere aardbevingen in verschillende delen van de wereld, en soms zelfs aardbevingen van dezelfde omvang. De studie toonde aan dat de botsing van blokken binnen een breukzone tijdens een aardbeving aanzienlijk bijdraagt ​​aan het genereren van hoogfrequente trillingen en bracht het idee naar voren dat ondergrondse geometrische complexiteit misschien ook een rol speelt in waar en waarom aardbevingen plaatsvinden.

Onbalans en intensiteit van aardbevingen

Bij het analyseren van gegevens van breuken in Californië – waaronder de bekende San Andreas-breuk – ontdekten de onderzoekers dat breukzones met een complexe geometrie eronder, wat betekent dat de structuren daar niet evenwijdig waren, sterkere grondbewegingen bleken te hebben dan bewegingen die minder geometrisch waren. complex. Foutzones. Dit betekent ook dat sommige van deze gebieden sterkere aardbevingen zullen hebben, andere zwakkere aardbevingen en sommige geen aardbevingen.

De onderzoekers bepaalden dit op basis van de gemiddelde onbalans van de door hen geanalyseerde fouten. Deze foutuitlijningsratio meet hoe dicht de fouten zich in een bepaald gebied bevinden en allemaal in dezelfde richting gaan versus in verschillende richtingen. Uit de analyse bleek dat breukzones waar breuken schuiner liggen, episoden van uitglijden in de vorm van aardbevingen veroorzaken. Breukzones waar de breukgeometrie beter uitgelijnd was, vergemakkelijkten een soepele kruip van de breuk zonder aardbevingen.

“Begrijpen hoe fouten zich als een systeem gedragen, is essentieel om te begrijpen waarom en hoe aardbevingen optreden”, zegt Lee, de afgestudeerde student die het werk leidde. “Ons onderzoek suggereert dat de complexiteit van de foutnetwerkarchitectuur de sleutelfactor is en betekenisvolle verbindingen creëert tussen sets van onafhankelijke observaties en deze integreert in een nieuw raamwerk.”

Toekomstige richtingen in aardbevingsonderzoek

De onderzoekers zeggen dat er meer werk moet worden gedaan om het model volledig te valideren, maar dit voorbereidende werk suggereert dat het idee veelbelovend is, vooral omdat verkeerde uitlijning of verkeerde uitlijning gemakkelijker te meten is dan eigenschappen van verkeerde uitlijning. Als dit werk geldig is, kan het op een dag worden opgenomen in modellen voor het voorspellen van aardbevingen.

Dit blijft op dit moment nog ver weg, omdat onderzoekers beginnen te bepalen hoe ze op het onderzoek kunnen voortbouwen.

“Het meest voor de hand liggende wat daarna komt, is proberen verder te gaan dan Californië en te kijken hoe dit model stand houdt”, zei Tsai. “Dit is mogelijk een nieuwe manier om te begrijpen hoe aardbevingen ontstaan.”

Referentie: “Foutnetwerkgeometrie beïnvloedt het wrijvingsgedrag van aardbevingen” door Jaesuk Lee, Victor C. Tsai, Greg Hirth, Avigyan Chatterjee en Daniel T. Trugman, 5 juni 2024, natuur.
doi: 10.1038/s41586-024-07518-6

Het onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation. Naast Li, Tsai en Hirth bestond het team ook uit Avighyan Chatterjee en Daniel T. Trugman van de Universiteit van Nevada, Reno.