Hvordan jordskælvsværme opstår

Jordskælv kan være pludselige udbrud af smuldrende hjem, jordknækende energi, når skiver af planetens skorpe længe holdt på plads af friktion pludselig glider og slingrer.

"Vi tænker typisk på pladerne på hver side af en fejl, der bevæger sig, deformere, opbygning af stress og derefter:Bom, der sker et jordskælv, " sagde Stanford University geofysiker Eric Dunham.

Men dybere nede, disse stenblokke kan glide støt forbi hinanden, kryber langs revner i jordskorpen i omtrent den hastighed, som dine negle vokser.

Der er en grænse mellem de nedre, snigende del af fejlen, og den øverste del, der kan stå låst i århundreder i stræk. I årtier, videnskabsmænd har undret sig over, hvad der kontrollerer denne grænse, dens bevægelser og dens forhold til store jordskælv. Det vigtigste blandt de ukendte er, hvordan væske og tryk migrerer langs forkastninger, og hvordan det får fejl til at glide.

En ny fysikbaseret fejlsimulator udviklet af Dunham og kolleger giver nogle svar. Modellen viser, hvordan væsker, der stiger op ved anfald og starter, gradvist svækker fejlen. I årtierne op til store jordskælv, de synes at fremdrive grænsen, eller låsedybde, en mil eller to opad.

Vandrende sværme

Forskningen, udgivet 24. september i Naturkommunikation , tyder også på, at når pulser af højtryksvæsker rykker tættere på overfladen, de kan udløse jordskælvsværme - rækker af jordskælv samlet i et lokalt område, normalt over en uge eller deromkring. Rysten fra disse seismiske sværme er ofte for subtil til, at folk kan lægge mærke til det, men ikke altid:En sværm nær den sydlige ende af San Andreas-forkastningen i Californien i august 2020, for eksempel, produceret et jordskælv med en styrke på 4,6 kraftigt nok til at rasle omkringliggende byer.

Hvert af jordskælvene i en sværm har sin egen efterskælvsekvens, i modsætning til ét stort hovedskælv efterfulgt af mange efterskælv. "En jordskælvsværm involverer ofte migration af disse begivenheder langs en forkastning i en eller anden retning, vandret eller lodret, " forklarede Dunham, seniorforfatter af papiret og en lektor i geofysik ved Stanford's School of Earth, Energi- og miljøvidenskab (Stanford Earth).

Simulatoren kortlægger, hvordan denne migrering fungerer. Mens meget af den avancerede jordskælvsmodellering i de sidste 20 år har fokuseret på friktionens rolle i at låse op for fejl, det nye arbejde tager højde for interaktioner mellem væske og tryk i fejlzonen ved hjælp af en forenklet, todimensionel model af en forkastning, der skærer lodret gennem hele jordskorpen, svarende til San Andreas-forkastningen i Californien.

"Gennem beregningsmodellering, vi var i stand til at drille nogle af de grundlæggende årsager til fejladfærd, " sagde hovedforfatter Weiqiang Zhu, en kandidatstuderende i geofysik ved Stanford. "Vi fandt ud af, at ebbe og strøm af trykket omkring en forkastning kan spille en endnu større rolle end friktion i at diktere dens styrke."

Underjordiske ventiler

Fejl i jordskorpen er altid mættet med væsker - for det meste vand, men vand i en tilstand, der udvisker skellene mellem væske og gas. Nogle af disse væsker stammer fra jordens mave og vandrer opad; nogle kommer fra oven, når nedbør siver ind, eller energiudviklere injicerer væsker som en del af olie, gas- eller geotermiske projekter. "Forhøjelser i trykket af den væske kan skubbe ud på væggene af fejlen, og gøre det lettere for fejlen at glide, " sagde Dunham. "Eller, hvis trykket falder, der skaber et sug, der trækker væggene sammen og forhindrer glidning."

I årtier, undersøgelser af sten udgravet fra forkastningszoner har afsløret afslørende revner, mineralfyldte årer og andre tegn på, at trykket kan svinge vildt under og mellem store jordskælv, førende geologer til at teoretisere, at vand og andre væsker spiller en vigtig rolle i at udløse jordskælv og påvirke, når de største storme rammer. "Klipperne selv fortæller os, at dette er en vigtig proces, " sagde Dunham.

For nylig, forskere har dokumenteret, at væskeinjektion relateret til energioperationer kan føre til jordskælvsværme. Seismologer har forbundet olie- og gasspildevandsboringer, for eksempel, til en dramatisk stigning i jordskælv i dele af Oklahoma, der startede omkring 2009. Og de har fundet ud af, at jordskælvsværme migrerer langs forkastninger hurtigere eller langsommere i forskellige miljøer, om det er under en vulkan, omkring en geotermisk operation eller inden for olie- og gasreservoirer, muligvis på grund af stor variation i væskeproduktionshastigheder, Dunham forklarede. Men modellering havde endnu ikke løst nettet af fysiske mekanismer bag de observerede mønstre.

Dunham og Zhus arbejde bygger på et koncept om fejl som ventiler, som geologer først fremlagde i 1990'erne. "Ideen er, at væsker stiger op langs fejl med mellemrum, selvom disse væsker frigives eller injiceres med en jævn, konstant hastighed, " Dunham forklarede. I årtier til tusinder af år mellem store jordskælv, mineralaflejring og andre kemiske processer forsegler forkastningszonen.

Med fejlventilen lukket, væske akkumuleres og tryk opbygges, svækkelse af fejlen og tvinge den til at glide. Nogle gange er denne bevægelse for lille til at skabe jordrystelser, men det er nok til at knække klippen og åbne ventilen, tillader væsker at genoptage deres opstigning.

Den nye modellering viser for første gang, at når disse impulser bevæger sig opad langs fejlen, de kan skabe jordskælvsværme. "Konceptet med en fejlventil, og intermitterende frigivelse af væsker, er en gammel idé, " sagde Dunham. "Men forekomsten af ​​jordskælvsværme i vores simuleringer af fejlventilering var fuldstændig uventet."

forudsigelser, og deres grænser

Modellen laver kvantitative forudsigelser om, hvor hurtigt en puls af højtryksvæsker migrerer langs forkastningen, åbner porerne, får fejlen til at glide og udløser visse fænomener:ændringer i låsedybden, i nogle tilfælde, og umærkeligt langsomme fejlbevægelser eller klynger af små jordskælv i andre. Disse forudsigelser kan derefter testes mod den faktiske seismicitet langs en forkastning - med andre ord, hvornår og hvor små eller langsomgående jordskælv ender med at forekomme.

For eksempel, et sæt simuleringer, hvor fejlen var sat til at forsegle og standse væskemigration inden for tre eller fire måneder, forudsagde lidt mere end en tomme glidning langs forkastningen lige omkring låsedybden i løbet af et år, med cyklussen, der gentages hvert par år. Denne særlige simulering matcher nøje mønstre af såkaldte slow-slip hændelser observeret i New Zealand og Japan - et tegn på, at de underliggende processer og matematiske relationer indbygget i algoritmen er på mål. I mellemtiden simuleringer med tætning, der trak ud over år, fik låsedybden til at stige, efterhånden som trykimpulserne steg opad.

Ændringer i låsedybden kan estimeres ud fra GPS-målinger af deformationen af ​​Jordens overflade. Alligevel er teknologien ikke en forudsigelse af jordskælv, sagde Dunham. Det ville kræve mere fuldstændig viden om de processer, der påvirker fejlglidning, samt information om den bestemte fejls geometri, stress, stensammensætning og væsketryk, forklarede han, "på et detaljeringsniveau, der simpelthen er umuligt, givet, at det meste af handlingen foregår mange kilometer under jorden."

Hellere, modellen tilbyder en måde at forstå processer på:hvordan ændringer i væsketryk får fejl til at glide; hvordan glidning og glidning af en forkastning bryder klippen op og gør den mere permeabel; og hvordan den øgede porøsitet tillader væsker at flyde lettere.

I fremtiden, denne forståelse kunne være med til at informere vurderinger af risiko i forbindelse med injektion af væsker i Jorden. Ifølge Dunham, "Lektionerne, som vi lærer om, hvordan væskestrømspar med friktionsglidning er anvendelige til naturligt forekommende jordskælv såvel som inducerede jordskælv, der sker i olie- og gasreservoirer."