الهندسة كمتنبئ أساسي للزلازل

وجد باحثون من جامعة براون أن هندسة الصدع، بما في ذلك بنية الصدع والهياكل المعقدة داخل مناطق الصدع، تلعب دورًا رئيسيًا في تحديد احتمالية وقوع الزلزال وقوته. ويتحدى هذا الاكتشاف، الذي يعتمد على دراسات خطوط الصدع في كاليفورنيا، وجهات النظر التقليدية التي تركز على الاحتكاك.

من خلال النظر عن كثب إلى التركيب الهندسي للصخور التي تتشكل فيها الزلازل، أضاف باحثون من جامعة براون تطورًا جديدًا للاعتقاد السائد منذ فترة طويلة بأن النشاط الزلزالي يسبب الزلازل في المقام الأول.

إعادة النظر في ميكانيكا الزلازل

ويرد وصف البحث في مقالة نشرت حديثا في المجلة طبيعةيكشف أن الطريقة التي تتم بها محاذاة شبكات الصدع تلعب دورًا مهمًا في تحديد مكان حدوث الزلزال وقوته. تتحدى هذه النتائج وجهة النظر التقليدية القائلة بأن الزلازل هي في المقام الأول نوع من الاحتكاك الذي يحدث على هذه الصدوع، وقد تحسن فهمنا الحالي لكيفية عمل الزلازل.

وقال فيكتور تساي، عالم الجيوفيزياء في جامعة براون، وهو أحد المؤلفين الرئيسيين للورقة البحثية: “ترسم ورقتنا هذه صورة مختلفة تمامًا عن سبب حدوث الزلازل”. “وهذا له آثار مهمة للغاية فيما يتعلق بالأماكن التي يمكن توقع حدوث الزلازل فيها، والأماكن التي لا يمكن توقع حدوث الزلازل فيها، بالإضافة إلى التنبؤ بالمكان الذي ستكون فيه الزلازل الأكثر ضررًا.”

وجهات النظر التقليدية لميكانيكا الزلازل

خطوط الصدع هي حدود مرئية على سطح الكوكب حيث تتصادم الصفائح الصلبة التي تشكل الغلاف الصخري للأرض مع بعضها البعض. لعقود من الزمن، جادل الجيوفيزيائيون بأن الزلازل تحدث عندما يؤدي الضغط على الصدوع إلى انزلاق الصدوع بسرعة أو انكسارها ضد بعضها البعض، مما يؤدي إلى إطلاق ضغط نشط يُعرف باسم سلوك الانزلاق.

يفترض الباحثون أن الانزلاق السريع والحركات الأرضية الشديدة التي تحدث بانتظام هي نتيجة الاحتكاك العابر الذي يحدث على الصدوع. في المقابل، عندما يكون الاحتكاك ثابتًا، تنزلق الصفائح ببطء تجاه بعضها البعض دون حدوث زلزال. تُعرف هذه الحركة الثابتة والسلسة أيضًا باسم الزحف.

رؤى جديدة في سلوك خط الصدع

وقال: “يحاول الناس قياس خصائص الاحتكاك هذه”. “تشير النتائج التي توصلنا إليها إلى أن النظر إلى هندسة العيوب في شبكات الصدع هذه أكثر أهمية لأن الهندسة المعقدة للهياكل المحيطة بتلك الحدود هي التي تخلق هذا السلوك العابر والمستقر. “.

تشمل الأشكال الهندسية التي يجب مراعاتها مشاكل التكوينات الصخرية الأساسية مثل المنحنيات والفجوات والخطوات. تعتمد الدراسة على النمذجة الرياضية ودراسة مناطق الصدع في كاليفورنيا باستخدام قاعدة بيانات الأعطال الرباعية التابعة لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية وبيانات من هيئة المسح الجيولوجي بكاليفورنيا.

أمثلة مفصلة والأبحاث السابقة

يقدم فريق البحث، الذي يضم أيضًا طالب الدراسات العليا في جامعة براون جايشوك لي والفيزيائي الجيوفيزيائي جريج هيرث، مثالًا أكثر تفصيلاً لشرح كيفية حدوث الزلازل. يُطلب منهم أن يتخيلوا الدوشا وهي تتلامس مع بعضها البعض كأسنان صدئة مثل حافة المنشار.

وعندما لا تكون الأسنان حادة أو تكون الأسنان قليلة، تنزلق الصخور بسلاسة فوق بعضها البعض، مما يسمح لها بالزحف. ولكن عندما تكون الهياكل الصخرية في هذه الصدوع معقدة للغاية ومسننة، يمكن لهذه الهياكل أن تلتصق ببعضها البعض وتلتصق ببعضها البعض. عندما يحدث ذلك، فإنها تزيد من الضغط، وفي النهاية عندما تسحب وتدفع بقوة أكبر، تنكسر وتبتعد عن بعضها البعض، مما يؤدي إلى حدوث الزلازل.

الآثار المترتبة على التعقيد الهندسي

دراسة جديدة آخذة في الظهور عمل سابق لماذا تنتج بعض الزلازل زلازل أكثر مقارنة بالزلازل الأخرى في أجزاء مختلفة من العالم، وأحيانا حتى زلازل بنفس الحجم؟ أظهرت الدراسة أن اصطدام الكتل داخل منطقة الصدع يساهم بشكل كبير في توليد اهتزازات عالية التردد أثناء الزلزال، ودفعت إلى فكرة أن التعقيد الهندسي تحت السطح يلعب دورًا في مكان وسبب حدوث الزلازل.

هيكل الخطأ وشدة الزلزال

وبتحليل البيانات من الصدوع في كاليفورنيا – صدع سان أندرياس المعروف – وجد الباحثون أن مناطق الصدع ذات الأشكال الهندسية السفلية المعقدة، مما يعني عدم محاذاة الهياكل، لديها حركات أرضية أقوى من تلك ذات التعقيد الهندسي الأقل. مناطق الخطأ. بعض هذه المناطق تتعرض لزلازل قوية، والبعض الآخر ضعيف، وبعضها لا تتعرض للزلازل.

وقد حدد الباحثون ذلك بناءً على متوسط ​​اختلال الأخطاء التي قاموا بتحليلها. تقيس نسبة الاختلال هذه مدى محاذاة الأخطاء في منطقة معينة وأن جميعها تسير في نفس الاتجاه وتذهب في اتجاهات مختلفة. وكشف التحليل أن مناطق الصدع التي تكون فيها الصدوع غير محاذية إلى حد كبير تسبب نوبات انزلاقية على شكل زلازل. إن هندسة الصدوع عبارة عن مناطق صدع شديدة الانحياز تسهل التصدع السلس دون حدوث زلازل.

وقال لي، طالب الدراسات العليا الذي قاد هذا العمل: “إن فهم كيفية عمل الصدوع كنظام أمر ضروري لفهم سبب وكيفية حدوث الزلازل”. “يشير بحثنا إلى أن تعقيد هندسة شبكة الأخطاء هو عامل رئيسي في إنشاء اتصالات ذات معنى بين مجموعات من الملاحظات المستقلة ودمجها في إطار جديد.”

الاتجاهات المستقبلية لأبحاث 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 الأخطاء في المحاذاة، أو عدم المحاذاة، أسهل في القياس من خصائص اختلال المحاذاة. إذا كان هذا العمل صحيحًا، فيمكن دمجه يومًا ما في نماذج التنبؤ بالزلازل.

وهذا طريق طويل الآن حيث يبدأ الباحثون في تحديد كيفية تطوير الدراسة.

وقال تساي: “الشيء الأكثر وضوحا الذي سيأتي بعد ذلك هو محاولة رؤية كيف يبدو هذا النموذج خارج كاليفورنيا”. “هذه طريقة جديدة لفهم كيفية حدوث الزلازل.”

المرجع: جاسوك لي، فيكتور سي. تساي، جريج هيرث، أفيكيان تشاترجي، ودانيال د. دروكمان، 5 يونيو 2024، “هندسة شبكة الأعطال تؤثر على سلوك الاحتكاك أثناء الزلزال” طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-024-07518-6

تم دعم هذا البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم. جنبا إلى جنب مع لي وتساي وهيرث وأفيكيان تشاترجي ودانيال د. من جامعة نيفادا، رينو، كان Druckman أيضًا في الفريق.