De ondergrond van de aarde is een uiterst actieve plaats, waar de bewegingen en wrijving van platen diep onder de grond ons landschap vormgeven en de intensiteit van gevaren daarboven bepalen. Terwijl de bewegingen van de aarde tijdens aardbevingen en vulkaanuitbarstingen zijn vastgelegd door delicate instrumenten, geanalyseerd door onderzoekers en beperkt door wiskundige vergelijkingen, ze vertellen niet het hele verhaal van de verschuivende platen onder onze voeten.

In de laatste twee decennia, de komst van het wereldwijde positioneringssysteem - inclusief ontvangers met extreem gevoelige sensoren die millimeters beweging vastleggen - heeft wetenschappers bewust gemaakt van aardbevingsachtige verschijnselen die moeilijk te ontwarren waren. Onder hen zijn zogenaamde slow slip-evenementen, of langzaam bewegende aardbevingen - verschuivingen die gedurende weken plaatsvinden op een moment dat mensen op het oppervlak niet weten.

Deze slow slip-gebeurtenissen komen over de hele wereld voor en kunnen mogelijk grotere aardbevingen veroorzaken. De grootste slow slip-gebeurtenissen vinden plaats in subductiezones, waar de ene tektonische plaat onder de andere duikt, uiteindelijk vormen ze in de loop van miljoenen jaren bergen en vulkanen. Nieuwe computersimulaties geproduceerd door onderzoekers van Stanford University en online gepubliceerd op 15 juni in de Journal of the Mechanics and Physics of Solids kan deze verborgen bewegingen verklaren.

"Slow slip is zo'n intrigerend fenomeen. Slow slip-gebeurtenissen zijn zowel zo wijdverbreid als echt zo onverklaarbaar dat ze een puzzel zijn die voor ons als wetenschappers bungelt en die we allemaal willen oplossen, " zei co-auteur van de studie Eric Dunham, een universitair hoofddocent geofysica in Stanford's School of Earth, Energie- en milieuwetenschappen (Stanford Earth). "We kennen al bijna 20 jaar langzame slip en er is nog steeds geen goed begrip van waarom het gebeurt."

Stil maar sterk

Deze gebeurtenissen zijn bijzonder moeilijk te verklaren vanwege hun onstabiele maar trage karakter. De fout glijdt niet gestaag, maar in plaats daarvan, periodiek glijden, versnelt, maar bereikt nooit het punt waarop het seismische golven uitzendt die groot genoeg zijn voor mensen om te detecteren.

Ondanks hun sluipende karakter, slow slip-gebeurtenissen kunnen oplopen. In een ijsstroom op Antarctica, de slow slip-gebeurtenissen komen tweemaal per dag voor, duren 30 minuten en zijn gelijk aan aardbevingen met een kracht van 7,0, zei Dunham.

Onderzoekers denken dat veranderingen in wrijving verklaren hoe snel rock aan weerszijden van de breuk wegglijdt. Met dat in gedachten, ze gingen ervan uit dat slow slip-gebeurtenissen begonnen als aardbevingen, met een soort wrijving die bekend staat als snelheidsverzwakking, waardoor glijden fundamenteel onstabiel wordt. Maar veel wrijvingsexperimenten in het laboratorium waren in tegenspraak met dat idee. In plaats daarvan, ze hadden ontdekt dat rotsen uit trage slipgebieden een stabieler soort wrijving vertonen, bekend als snelheidsversterking, algemeen gedacht om stabiel glijden te produceren. De nieuwe computersimulaties losten deze inconsistentie op door te laten zien hoe langzame slip kan optreden met tegengesteld lijkende snelheidsversterkende wrijving.

"Een handvol onderzoeken had aangetoond dat er manieren zijn om snelheidsversterkende wrijving te destabiliseren. tot onze krant, niemand had zich gerealiseerd dat als je deze instabiliteiten zou simuleren, ze veranderen eigenlijk in slow slip, ze veranderen niet in aardbevingen, " volgens hoofdauteur Elias Heimisson, een promovendus aan Stanford Earth. "We hebben ook een nieuw mechanisme geïdentificeerd voor het genereren van langzame slip-instabiliteiten."

Wetten van de natuurkunde

De onderzoeksgroep van Dunham benadert onbeantwoorde vragen over de aarde door alle mogelijke fysieke processen die een rol kunnen spelen in overweging te nemen. In dit geval, fouten komen voor in gesteenten die verzadigd zijn met vloeistof, waardoor ze wat bekend staat als een poro-elastische aard waarin de poriën de rots laten uitzetten en samentrekken, waardoor de vloeistofdruk verandert. De groep was benieuwd hoe die drukveranderingen de wrijvingsweerstand op fouten kunnen veranderen.

"In dit geval, we zijn niet aan dit project begonnen om slow slip-gebeurtenissen uit te leggen - we zijn ermee begonnen omdat we wisten dat rotsen deze poro-elastische aard hebben en we wilden zien welke gevolgen het had, "Zei Dunham. "We hadden nooit gedacht dat het aanleiding zou geven tot langzame slipgebeurtenissen en we hadden nooit gedacht dat het fouten met dit soort wrijving zou destabiliseren."

Met deze nieuwe simulaties die de poreuze aard van het gesteente verklaren, de groep ontdekte dat als stenen worden samengedrukt en vloeistoffen niet kunnen ontsnappen, de druk neemt toe. Die drukverhoging vermindert wrijving, leidend tot een trage slipgebeurtenis.

"De theorie is van hoog niveau, "Zei Heimisson. "We zien deze interessante dingen als je rekening houdt met poro-elasticiteit en mensen zouden het misschien breder willen gebruiken in modellen van seismische cycli of specifieke aardbevingen."

Heimisson gaat als postdoctoraal onderzoeker aan het California Institute of Technology een 3D-simulatie maken op basis van deze theorie.