Jak wynika z nowego badania opublikowanego 19 listopada w Science Advances, głęboko w skorupie ziemskiej uskoki spowodowane powolnymi trzęsieniami ziemi mogą zagoić się w ciągu zaledwie kilku godzin. Ten niezwykły mechanizm samonaprawy zachodzi w ekstremalnych warunkach temperatury i ciśnienia głęboko pod płytami tektonicznymi. Badanie dostarcza ważnych informacji na temat zachowania uskoków i ma wpływ na zrozumienie zarówno wolno poruszających się osuwisk, jak i potencjału bardziej niszczycielskich trzęsień ziemi.
Ciche trzęsienia ziemi i szybka naprawa usterek
Geolodzy od dawna wiedzą o „cichych” trzęsieniach ziemi — powolnych osunięciach ziemi, podczas których ziemia odkształca się w ciągu tygodni lub miesięcy, zamiast natychmiastowo zapadać się w ciągu kilku sekund. W przeciwieństwie do zwykłych trzęsień ziemi, nie generują one silnych fal sejsmicznych, co czyni je mniej niebezpiecznymi w krótkiej perspektywie. Jednakże występują one w tych samych dużych systemach uskoków, co duże trzęsienia ziemi, co prowadzi badaczy do pytania, dlaczego w niektórych obszarach następuje powolny poślizg, a w innych nagłe pęknięcie.
Według głównej autorki Amandy Thomas z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis klucz leży w warunkach fizycznych: zachowaniu podczas tarcia przy uszkodzeniu i naprężeniu efektywnym. „To, czy usterka będzie się ślizgać powoli, czy nagle, zależy od zachowania się tarcia na usterce i działającego na nią efektywnego naprężenia”. Powolne osuwiska występują głębiej, gdzie temperatury są wysokie i występuje obfitość płynów.
Strefa subdukcji kaskadowej: naturalne laboratorium
Badanie skupiło się na Kaskadowej Strefie Subdukcji, regionie, w którym płyta Pacyfiku wsuwa się pod Amerykę Północną. Ten „megafault” jest w stanie wywołać trzęsienia ziemi o sile 8–9 stopni w skali Richtera, ale często doświadcza także wolno poruszających się osuwisk. Cascada jest wyjątkowa, ponieważ jej rozbudowana sieć monitorowania pozwala naukowcom szczegółowo badać te zjawiska.
W badaniu zauważono, że niektóre odcinki uskoku kaskadowego pękają, a następnie wielokrotnie uszczelniają się podczas tego samego powolnego cyklu osuwiska. Ta szybka reaktywacja sugeruje, że naprężenia szybko narastają, ale także, że uszkodzony materiał w jakiś sposób „goi się” pomiędzy pęknięciami. Zespół badawczy próbował wyjaśnić to tajemnicze zachowanie.
Symulacje laboratoryjne odtwarzają warunki głębokiej Ziemi
Na potrzeby badania naukowcy odtworzyli w warunkach laboratoryjnych ekstremalne środowisko strefy subdukcji. Srebrną kapsułkę wypełniono proszkiem kwarcowym i wodą, a następnie poddano działaniu temperatury 500°C i ciśnienia 10 000 razy większego niż ciśnienie atmosferyczne. Mikroskopia elektronowa wykazała, że nawet po kilku godzinach ziarna kwarcu stopiły się ze sobą.
„Naprawa usterek w dużym stopniu zależy od temperatury, ciśnienia i dostępności płynu” – wyjaśnił Thomas. Eksperymenty wykazały wymierne wzmocnienie w tych warunkach w ciągu kilku godzin. Stanowi to wyraźny kontrast w stosunku do mniejszych uskoków skorupy ziemskiej, których naprawa zajmuje lata lub dziesięciolecia.
Wpływ pływów i szybkiego resetu napięcia
Badanie wykazało również związek między szybkim procesem regeneracji a przypływami oceanicznymi. W przypadku uskoku kaskadowego występują wybuchy trzęsień ziemi o niskiej częstotliwości, które zbiegają się z cyklami pływowymi. Sugeruje to, że zmiany ciśnienia spowodowane pływami mogą powodować powtarzające się pęknięcia zaledwie kilka godzin po naprawie szczeliny.
Wyniki wskazują, że głębokie uskoki w Kaskadach mogą szybko się wzmocnić, a następnie zostać ponownie naprężone i reaktywowane podczas jednego powolnego cyklu osuwiska. Zrozumienie tego ma kluczowe znaczenie dla dokładnego modelowania zachowania się usterek i interpretacji danych sejsmicznych.
Konsekwencje dla oceny ryzyka trzęsienia ziemi
Naprawa usterek nie ogranicza się tylko do głębokich stref subdukcji; występuje również, choć wolniej, w mniejszych regionach, gdzie występują duże trzęsienia ziemi. Naukowcy argumentują, że włączenie procesów odzyskiwania do przyszłych modeli trzęsień ziemi poprawi ocenę ryzyka. Zrozumienie, jak szybko mogą się wzmacniać uskoki, może pomóc w przewidywaniu, gdzie i kiedy nastąpi kolejne duże trzęsienie ziemi.
„Nasze wyniki sugerują, że ten sam podstawowy proces może zachodzić w całej korze mózgowej, ale jego czas zmienia się w zależności od środowiska”. — Amanda Thomas, Uniwersytet Kalifornijski w Davis
