الهندسة باعتبارها التنبؤ الرائد للزلازل

وجد باحثون من جامعة براون أن هندسة الصدع، بما في ذلك الاختلالات والهياكل المعقدة داخل مناطق الصدع، تلعب دورًا حاسمًا في تحديد احتمالية وقوع الزلزال وقوته. هذه النتيجة، المستندة إلى دراسات حول خطوط الصدع في كاليفورنيا، تتحدى وجهات النظر التقليدية التي تركز في المقام الأول على الاحتكاك.

من خلال إلقاء نظرة فاحصة على التركيب الهندسي للصخور التي تنشأ منها الزلازل، يضيف الباحثون في جامعة براون تجاعيد جديدة إلى الاعتقاد السائد منذ فترة طويلة حول أسباب الزلازل في المقام الأول.

إعادة النظر في ديناميكيات الزلازل

البحث، الموصوف في مقال منشور حديثا في المجلة طبيعةيكشف أن الطريقة التي تتم بها محاذاة شبكات الصدع تلعب دورًا حاسمًا في تحديد مكان حدوث الزلزال وقوته. تتحدى هذه النتائج الفكرة التقليدية القائلة بأن نوع الاحتكاك الذي يحدث عند هذه الصدوع هو الذي يحكم في المقام الأول حدوث الزلازل أم لا، ويمكنها تحسين الفهم الحالي لكيفية عمل الزلازل.

قال فيكتور تساي، عالم الجيوفيزياء في جامعة براون، وأحد المؤلفين الرئيسيين للورقة البحثية: “ترسم ورقتنا هذه الصورة المختلفة تمامًا حول سبب حدوث الزلازل”. “وهذا له آثار مهمة للغاية فيما يتعلق بالأماكن التي يمكن توقع حدوث الزلازل فيها مقابل الأماكن التي لا يمكن توقع حدوث الزلازل فيها، وكذلك للتنبؤ بالمكان الذي ستكون فيه الزلازل الأكثر ضررًا.”

وجهات النظر التقليدية حول ميكانيكا الزلازل

خطوط الصدع هي الحدود المرئية على سطح الكوكب حيث تتصادم الصفائح الصلبة التي تشكل الغلاف الصخري للأرض مع بعضها البعض. يقول تساي إنه على مدى عقود، فسر علماء الجيوفيزياء الزلازل بأنها تحدث عندما يتراكم الضغط عند الصدوع إلى النقطة التي تنزلق فيها الصدوع بسرعة أو تنكسر فوق بعضها البعض، مما يؤدي إلى إطلاق الضغط المكبوت في إجراء يُعرف باسم سلوك الانزلاق.

افترض الباحثون أن الانزلاق السريع والحركات الأرضية الشديدة التي تتبعه هي نتيجة للاحتكاك غير المستقر الذي يمكن أن يحدث عند الصدوع. في المقابل، الفكرة هي أنه عندما يكون الاحتكاك مستقرًا، تنزلق الصفائح ضد بعضها البعض ببطء دون حدوث زلزال. تُعرف هذه الحركة الثابتة والسلسة أيضًا باسم الزحف.

وجهات نظر جديدة حول سلوك خط الصدع

“يحاول الناس قياس خصائص الاحتكاك هذه، مثل ما إذا كانت منطقة الصدع تحتوي على احتكاك غير مستقر أو احتكاك مستقر، ومن ثم، بناءً على قياسات معملية لذلك، يحاولون التنبؤ بما إذا كنت ستتعرض لزلزال هناك أم لا”، قال تساي. قال. “تشير النتائج التي توصلنا إليها إلى أنه قد يكون من الأكثر أهمية النظر إلى هندسة العيوب في شبكات الصدع هذه، لأنه قد تكون الهندسة المعقدة للهياكل حول تلك الحدود هي التي تخلق هذا السلوك غير المستقر مقابل السلوك المستقر.”

تشتمل الهندسة التي يجب مراعاتها على تعقيدات في الهياكل الصخرية الأساسية مثل الانحناءات والفجوات والخطوات. تعتمد الدراسة على النمذجة الرياضية ودراسة مناطق الصدع في كاليفورنيا باستخدام بيانات من قاعدة بيانات الأعطال الرباعية التابعة للمسح الجيولوجي الأمريكي ومن هيئة المسح الجيولوجي في كاليفورنيا.

أمثلة مفصلة والأبحاث السابقة

يقدم فريق البحث، الذي يضم أيضًا طالب الدراسات العليا في جامعة براون جايسوك لي والفيزيائي الجيوفيزيائي جريج هيرث، مثالًا أكثر تفصيلاً لتوضيح كيفية حدوث الزلازل. يقولون أن يتصوروا العيوب التي تتصادم مع بعضها البعض على أنها ذات أسنان مسننة مثل حافة المنشار.

عندما يكون هناك عدد أقل من الأسنان أو الأسنان غير الحادة، تنزلق الصخور فوق بعضها البعض بسلاسة أكبر، مما يسمح بالزحف. ولكن عندما تكون الهياكل الصخرية في هذه الصدوع أكثر تعقيدًا وخشونة، فإن هذه الهياكل تلتصق ببعضها البعض وتلتصق. عندما يحدث ذلك، فإنها تزيد من الضغط، وفي النهاية عندما تسحب وتدفع بقوة أكبر، تنكسر، وتبتعد عن بعضها البعض وتؤدي إلى حدوث الزلازل.

آثار التعقيد الهندسي

الدراسة الجديدة مبنية على عمل سابق النظر في سبب توليد بعض الزلازل حركة أرضية أكبر مقارنة بالزلازل الأخرى في أجزاء مختلفة من العالم، وحتى في بعض الأحيان تلك التي لها نفس القوة. أظهرت الدراسة أن تصادم الكتل داخل منطقة الصدع أثناء حدوث الزلزال يساهم بشكل كبير في توليد اهتزازات عالية التردد وأثار فكرة مفادها أنه ربما يكون التعقيد الهندسي تحت السطح يلعب أيضًا دورًا في مكان وسبب حدوث الزلازل.

اختلال وكثافة الزلزال

وبتحليل البيانات من الصدوع في كاليفورنيا – والتي تشمل صدع سان أندرياس المعروف – وجد الباحثون أن مناطق الصدع التي تحتوي على هندسة معقدة تحتها، مما يعني أن الهياكل هناك لم تكن متوازية، تبين أن لديها حركات أرضية أقوى من الحركات الأقل تعقيدًا هندسيًا. مناطق الخطأ. وهذا يعني أيضًا أن بعض هذه المناطق سيكون بها زلازل أقوى، والبعض الآخر سيكون بها زلازل أضعف، وبعضها لن يكون به زلازل.

وقد حدد الباحثون ذلك بناءً على متوسط ​​اختلال الأخطاء التي قاموا بتحليلها. تقيس نسبة الاختلال هذه مدى تقارب الأخطاء في منطقة معينة وكلها تسير في نفس الاتجاه مقابل السير في اتجاهات مختلفة. وكشف التحليل أن مناطق الصدع التي تكون فيها الصدوع أكثر انحرافًا تسبب حلقات من الانزلاق على شكل زلازل. مناطق الصدع حيث كانت هندسة الصدوع أكثر محاذاة سهلت زحف الصدع بسلاسة دون حدوث زلازل.

وقال لي، طالب الدراسات العليا الذي قاد هذا العمل: “إن فهم كيفية تصرف الصدوع كنظام أمر ضروري لفهم سبب وكيفية حدوث الزلازل”. “يشير بحثنا إلى أن تعقيد هندسة شبكة الأخطاء هو العامل الرئيسي وينشئ روابط ذات معنى بين مجموعات من الملاحظات المستقلة ويدمجها في إطار جديد.”

الاتجاهات المستقبلية في أبحاث الزلازل

يقول الباحثون إنه يجب القيام بالمزيد من العمل للتحقق من صحة النموذج بشكل كامل، لكن هذا العمل الأولي يشير إلى أن الفكرة واعدة، خاصة وأن قياس محاذاة الأخطاء أو اختلالها أسهل من قياس خصائص الاحتكاك الخاطئ. وإذا كان هذا العمل صالحًا، فمن الممكن يومًا ما أن يُدمج في نماذج التنبؤ بالزلازل.

ولا يزال هذا الأمر بعيد المنال في الوقت الحالي، حيث يبدأ الباحثون في تحديد كيفية البناء على الدراسة.

وقال تساي: “الشيء الأكثر وضوحا الذي سيأتي بعد ذلك هو محاولة الذهاب إلى ما هو أبعد من ولاية كاليفورنيا ومعرفة كيف يمكن لهذا النموذج أن يصمد”. “من المحتمل أن تكون هذه طريقة جديدة لفهم كيفية حدوث الزلازل.”

المرجع: “تؤثر هندسة شبكة الأعطال على السلوك الاحتكاكي للزلازل” بقلم جايسوك لي، وفيكتور سي. تساي، وجريج هيرث، وأفيجيان تشاترجي، ودانييل ت. تروجمان، 5 يونيو 2024، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07518-6

تم دعم البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم. إلى جانب لي وتساي وهيرث، ضم الفريق أيضًا أفيجيان تشاترجي ودانييل تي تروجمان من جامعة نيفادا رينو.