Microscopische onvolkomenheden in bergkristallen diep onder het aardoppervlak spelen een beslissende factor in hoe de grond langzaam beweegt en reset in de nasleep van grote aardbevingen, zegt nieuw onderzoek waarbij de Universiteit van Cambridge betrokken is.

De spanningen die het gevolg zijn van deze defecten - die klein genoeg zijn om de atomaire bouwstenen van een kristal te verstoren - kunnen veranderen hoe hete rotsen onder de aardkorst bewegen en op hun beurt spanning terug naar het aardoppervlak overbrengen, het aftellen naar de volgende aardbeving begint.

De nieuwe studie, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , is de eerste die de kristaldefecten en omringende krachtvelden in detail in kaart heeft gebracht. "Ze zijn zo klein dat we ze alleen hebben kunnen observeren met de nieuwste microscopietechnieken, " zei hoofdauteur Dr. David Wallis van Cambridge's Department of Earth Sciences, "Maar het is duidelijk dat ze een aanzienlijke invloed kunnen hebben op hoe diep rotsen bewegen, en zelfs regeren wanneer en waar de volgende aardbeving zal plaatsvinden."

Door te begrijpen hoe deze kristaldefecten rotsen in de bovenmantel van de aarde beïnvloeden, wetenschappers kunnen metingen van grondbewegingen na aardbevingen beter interpreteren, die essentiële informatie geven over waar stress zich opbouwt - en op zijn beurt waar toekomstige aardbevingen kunnen plaatsvinden.

Aardbevingen gebeuren wanneer stukken van de aardkorst plotseling langs breuklijnen langs elkaar glijden, het vrijgeven van opgeslagen energie die zich door de aarde voortplant en ervoor zorgt dat deze gaat schudden. Deze beweging is over het algemeen een reactie op de opbouw van tektonische krachten in de aardkorst, waardoor het oppervlak knikt en uiteindelijk scheurt in de vorm van een aardbeving.

Hun werk onthult dat de manier waarop het aardoppervlak bezinkt na een aardbeving, en slaat stress op voorafgaand aan een herhaalde gebeurtenis, kan uiteindelijk worden herleid tot kleine defecten in bergkristallen uit de diepte.

"Als je begrijpt hoe snel deze diepe rotsen kunnen stromen, en hoe lang het duurt om spanning tussen verschillende gebieden over een breukzone over te dragen, dan kunnen we misschien betere voorspellingen krijgen van wanneer en waar de volgende aardbeving zal toeslaan, ' zei Wallis.

Het team onderwierp olivijnkristallen - de meest voorkomende component van de bovenmantel - aan een reeks drukken en temperaturen om omstandigheden tot 100 km onder het aardoppervlak te repliceren. waar de rotsen zo heet zijn (ongeveer 1250oC) bewegen ze als siroop.

Wallis vergelijkt hun experimenten met een smid die met heet metaal werkt - bij de hoogste temperaturen, hun monsters waren gloeiend heet en plooibaar.

Ze observeerden de vervormde kristalstructuren met behulp van een vorm van elektronenmicroscopie met hoge resolutie, genaamd elektronenterugverstrooiing diffractie, waarmee Wallis pionierde op het gebied van geologische materialen.

Hun resultaten werpen licht op hoe hete rotsen in de bovenmantel op mysterieuze wijze kunnen veranderen van stromend bijna als siroop onmiddellijk na een aardbeving tot dik en traag naarmate de tijd verstrijkt.

Deze verandering in dikte - of viscositeit - brengt stress terug naar de koude en brosse rotsen in de korst erboven, waar het zich opbouwt - totdat de volgende aardbeving toeslaat.

De reden voor deze gedragsverandering is een open vraag gebleven, "We weten al een tijdje dat processen op microschaal een sleutelfactor zijn bij het beheersen van aardbevingen, maar het was moeilijk om deze kleine functies in voldoende detail te observeren, " zei Wallis. "Dankzij een ultramoderne microscopietechniek, we hebben kunnen kijken in het kristalraamwerk van hete, diepe rotsen en zoek uit hoe belangrijk deze minuscule defecten werkelijk zijn."

Wallis en co-auteurs laten zien dat onregelmatigheden in de kristallen in de loop van de tijd steeds meer verstrikt raken; vechten om ruimte vanwege hun concurrerende krachtvelden - en het is dit proces dat ervoor zorgt dat de rotsen stroperiger worden.

Tot nu toe werd gedacht dat deze toename van de viscositeit het gevolg was van het concurrerende duwen en trekken van kristallen tegen elkaar, in plaats van veroorzaakt te worden door microscopisch kleine defecten en hun spanningsvelden in de kristallen zelf.

Het team hoopt hun werk toe te passen op het verbeteren van seismische gevarenkaarten, die vaak worden gebruikt in tektonisch actieve gebieden zoals Zuid-Californië om te schatten waar de volgende aardbeving zal plaatsvinden. huidige modellen, die meestal gebaseerd zijn op waar aardbevingen in het verleden hebben toegeslagen, en waar dus stress moet ontstaan, houd alleen rekening met de meer directe veranderingen over een breukzone en houd geen rekening met geleidelijke spanningsveranderingen in gesteenten die diep in de aarde stromen.

Samenwerken met collega's van de Universiteit Utrecht, Wallis is ook van plan om hun nieuwe laboratoriumbeperkingen toe te passen op modellen van grondbewegingen na de gevaarlijke aardbeving in 2004 die Indonesië trof, en de aardbeving in Japan in 2011 - die beide tsunami's veroorzaakten en leidden tot het verlies van tienduizenden levens.