Aardbevingen kunnen abrupte uitbarstingen zijn van afbrokkelende, grondknikkende energie wanneer plakjes van de aardkorst die lang op hun plaats werden gehouden door wrijving, plotseling wegglijden en slingeren.

"We denken meestal aan de platen aan weerszijden van een fout die beweegt, vervormen, spanning opbouwen en dan:boem, er vindt een aardbeving plaats, ", zei geofysicus Eric Dunham van Stanford University.

Maar dieper, deze rotsblokken kunnen gestaag langs elkaar glijden, kruipend langs scheuren in de aardkorst met ongeveer de snelheid waarmee je vingernagels groeien.

Er bestaat een grens tussen de lagere, kruipend deel van de fout, en het bovenste gedeelte dat eeuwenlang op slot kan blijven staan. Al decenia, wetenschappers hebben zich afgevraagd wat deze grens controleert, zijn bewegingen en zijn relatie met grote aardbevingen. De belangrijkste van de onbekenden is hoe vloeistof en druk langs breuken migreren, en hoe dat ervoor zorgt dat fouten wegglippen.

Een nieuwe op fysica gebaseerde foutsimulator ontwikkeld door Dunham en collega's biedt enkele antwoorden. Het model laat zien hoe vloeistoffen die opstijgen met vallen en opstaan ​​de breuk geleidelijk verzwakken. In de decennia voorafgaand aan grote aardbevingen, ze lijken de grens te verleggen, of vergrendelingsdiepte, een mijl of twee omhoog.

Zwermen migreren

Het onderzoek, gepubliceerd 24 september in Natuurcommunicatie , suggereert ook dat als pulsen van hogedrukvloeistoffen dichter bij het oppervlak komen, ze kunnen aardbevingszwermen veroorzaken - reeksen aardbevingen geclusterd in een lokaal gebied, meestal meer dan een week of zo. Schudden van deze seismische zwermen is vaak te subtiel voor mensen om op te merken, maar niet altijd:een zwerm nabij het zuidelijke uiteinde van de San Andreas-breuk in Californië in augustus 2020, bijvoorbeeld, produceerde een aardbeving met een kracht van 4,6 die sterk genoeg was om omliggende steden te laten rammelen.

Elk van de aardbevingen in een zwerm heeft zijn eigen naschoksequentie, in tegenstelling tot één grote hoofdschok gevolgd door vele naschokken. "Een aardbevingszwerm omvat vaak migratie van deze gebeurtenissen langs een breuk in een bepaalde richting, horizontaal of verticaal, " legde Dunham uit, senior auteur van het artikel en universitair hoofddocent geofysica aan Stanford's School of Earth, Energie- en milieuwetenschappen (Stanford Earth).

De simulator brengt in kaart hoe deze migratie werkt. Terwijl veel van de geavanceerde aardbevingsmodellering van de afgelopen 20 jaar zich heeft gericht op de rol van wrijving bij het ontsluiten van fouten, het nieuwe werk houdt rekening met interacties tussen vloeistof en druk in de breukzone met behulp van een vereenvoudigde, tweedimensionaal model van een breuk die verticaal door de hele aardkorst snijdt, vergelijkbaar met de San Andreas-breuk in Californië.

"Door computationele modellering, we waren in staat om enkele van de grondoorzaken voor foutgedrag te achterhalen, " zei hoofdauteur Weiqiang Zhu, een afgestudeerde student geofysica aan Stanford. "We ontdekten dat de eb en vloed van druk rond een fout een nog grotere rol kan spelen dan wrijving bij het dicteren van de sterkte ervan."

Ondergrondse kleppen

Storingen in de aardkorst zijn altijd verzadigd met vloeistoffen - meestal water, maar water in een staat die het onderscheid tussen vloeistof en gas vervaagt. Sommige van deze vloeistoffen zijn afkomstig uit de buik van de aarde en migreren naar boven; sommige komen van boven wanneer regenval binnensijpelt of energieontwikkelaars vloeistoffen injecteren als onderdeel van olie, gas- of aardwarmteprojecten. "Verhogingen van de druk van die vloeistof kunnen op de wanden van de fout duwen, en het gemakkelijker maken voor de fout om te schuiven, "zei Dunham. "Of, als de druk afneemt, dat zorgt voor een zuigkracht die de muren naar elkaar toe trekt en schuiven verhindert."

Al decenia, studies van rotsen opgegraven uit breukzones hebben veelbetekenende scheuren onthuld, met mineralen gevulde aderen en andere tekenen dat de druk enorm kan fluctueren tijdens en tussen grote aardbevingen, leidende geologen die theoretiseren dat water en andere vloeistoffen een belangrijke rol spelen bij het veroorzaken van aardbevingen en het beïnvloeden van wanneer de grootste aardbevingen toeslaan. "De rotsen zelf vertellen ons dat dit een belangrijk proces is, ' zei Dunham.

Recenter, wetenschappers hebben gedocumenteerd dat vloeistofinjectie in verband met energieoperaties kan leiden tot aardbevingszwermen. Seismologen hebben olie- en gasafvoerputten gekoppeld, bijvoorbeeld, tot een dramatische toename van aardbevingen in delen van Oklahoma vanaf 2009. En ze hebben ontdekt dat aardbevingszwermen sneller of langzamer langs breuken migreren in verschillende omgevingen, of het nu onder een vulkaan is, rond een geothermische operatie of in olie- en gasreservoirs, mogelijk vanwege de grote variatie in vloeistofproductiesnelheden, Dunham uitgelegd. Maar modellering moest het web van fysieke mechanismen achter de waargenomen patronen nog ontwarren.

Het werk van Dunham en Zhu bouwt voort op een concept van fouten als kleppen, die geologen voor het eerst naar voren brachten in de jaren negentig. "Het idee is dat vloeistoffen met tussenpozen langs breuken opstijgen, zelfs als die vloeistoffen met een constante snelheid worden afgegeven of geïnjecteerd, constant tarief, " legde Dunham uit. In de decennia tot duizenden jaren tussen grote aardbevingen, minerale afzetting en andere chemische processen sluiten de breukzone af.

Met de storingsklep gesloten, vloeistof hoopt zich op en de druk bouwt zich op, de fout verzwakken en dwingen om te slippen. Soms is deze beweging te gering om grondschudding op te wekken, maar het is genoeg om de rots te breken en de klep te openen, waardoor vloeistoffen hun opstijging kunnen hervatten.

De nieuwe modellering laat voor het eerst zien dat als deze pulsen omhoog gaan langs de breuklijn, ze kunnen aardbevingszwermen creëren. "Het concept van een foutklep, en intermitterende afgifte van vloeistoffen, is een oud idee, " zei Dunham. "Maar het optreden van aardbevingszwermen in onze simulaties van foutkleppen was volkomen onverwacht."

voorspellingen, en hun limieten

Het model maakt kwantitatieve voorspellingen over hoe snel een puls van hogedrukvloeistoffen langs de breuk migreert, opent poriën, zorgt ervoor dat de fout wegglijdt en veroorzaakt bepaalde verschijnselen:veranderingen in de vergrendelingsdiepte, in sommige gevallen, en onmerkbaar langzame breukbewegingen of clusters van kleine aardbevingen in andere. Die voorspellingen kunnen dan worden getoetst aan de werkelijke seismiciteit langs een breuk, met andere woorden, wanneer en waar kleine of slow-motion aardbevingen plaatsvinden.

Bijvoorbeeld, één set simulaties, waarin de fout was ingesteld om de vloeistofmigratie binnen drie of vier maanden af ​​te sluiten en te stoppen, voorspelde iets meer dan een inch slip langs de breuklijn rond de vergrendelingsdiepte in de loop van een jaar, waarbij de cyclus zich om de paar jaar herhaalt. Deze specifieke simulatie komt nauw overeen met patronen van zogenaamde slow-slip-gebeurtenissen die zijn waargenomen in Nieuw-Zeeland en Japan - een teken dat de onderliggende processen en wiskundige relaties die in het algoritme zijn ingebouwd, op schema liggen. In de tussentijd, simulaties met verzegeling die in de loop der jaren werden uitgesleept, zorgden ervoor dat de vergrendelingsdiepte toenam naarmate de drukpulsen omhoog klommen.

Veranderingen in de vergrendelingsdiepte kunnen worden geschat op basis van GPS-metingen van de vervorming van het aardoppervlak. Toch is de technologie geen voorspeller van aardbevingen, zei Dunham. Dat vereist meer volledige kennis van de processen die foutslip beïnvloeden, evenals informatie over de geometrie van de specifieke fout, spanning, gesteentesamenstelling en vloeistofdruk, hij legde uit, "op een detailniveau dat simpelweg onmogelijk is, gezien het feit dat de meeste actie vele kilometers onder de grond plaatsvindt."

Liever, het model biedt een manier om processen te begrijpen:hoe veranderingen in vloeistofdruk fouten veroorzaken; hoe glijden en wegglijden van een breuk de rots breekt en het meer doorlaatbaar maakt; en hoe die verhoogde porositeit ervoor zorgt dat vloeistoffen gemakkelijker kunnen stromen.

In de toekomst, dit inzicht zou kunnen helpen bij het beoordelen van risico's die verband houden met het injecteren van vloeistoffen in de aarde. Volgens Dunham, "De lessen die we leren over hoe vloeistofstroomparen met wrijvingsverschuivingen van toepassing zijn op natuurlijk voorkomende aardbevingen en geïnduceerde aardbevingen die plaatsvinden in olie- en gasreservoirs."