Ingenieurwesen als führende Erdbebenvorhersage

Forscher der Brown University fanden heraus, dass die Verwerfungsgeometrie, einschließlich Versetzungen und komplexer Strukturen innerhalb der Verwerfungszonen, eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Wahrscheinlichkeit und Stärke eines Erdbebens spielt. Diese auf Studien zu Verwerfungslinien in Kalifornien basierende Erkenntnis stellt traditionelle Ansichten in Frage, die sich hauptsächlich auf Reibung konzentrieren.

Durch einen genaueren Blick auf die geometrische Zusammensetzung der Gesteine, aus denen Erdbeben entstehen, fügen Forscher der Brown University der lange gehegten Annahme darüber, was Erdbeben überhaupt verursacht, eine neue Falte hinzu.

Erdbebendynamik überarbeitet

Die Forschung wird in einem kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel beschrieben NaturEs zeigt sich, dass die Art und Weise, wie Verwerfungsnetzwerke ausgerichtet sind, eine entscheidende Rolle dabei spielt, wo ein Erdbeben auftritt und wie stark es ist. Diese Ergebnisse stellen die traditionelle Vorstellung in Frage, dass es die Art der Reibung ist, die an diesen Verwerfungen auftritt, die in erster Linie darüber entscheidet, ob Erdbeben auftreten oder nicht, und könnten das aktuelle Verständnis der Funktionsweise von Erdbeben verbessern.

„Unser Artikel zeichnet ein ganz anderes Bild davon, warum Erdbeben passieren“, sagte Victor Tsai, Geophysiker an der Brown University und einer der Hauptautoren des Artikels. „Dies hat sehr wichtige Auswirkungen darauf, wo mit Erdbeben zu rechnen ist und wo Erdbeben nicht zu erwarten sind, und auch auf die Vorhersage, wo Erdbeben den größten Schaden anrichten werden.“

Traditionelle Ansichten zur Erdbebenmechanik

Verwerfungslinien sind die sichtbaren Grenzen auf der Planetenoberfläche, an denen die festen Platten, aus denen die Lithosphäre der Erde besteht, miteinander kollidieren. Seit Jahrzehnten interpretieren Geophysiker Erdbeben so, dass sich an Verwerfungen Spannung aufbaut, bis zu dem Punkt, an dem die Verwerfungen schnell übereinander gleiten oder brechen und aufgestaute Spannungen freigesetzt werden, was als Gleitverhalten bekannt ist, sagt Tsai.

Die Forscher vermuteten, dass der schnelle Schlupf und die daraus resultierenden starken Bodenbewegungen das Ergebnis instabiler Reibung sind, die an Verwerfungen auftreten kann. Im Gegensatz dazu geht man davon aus, dass bei stabiler Reibung Platten langsam gegeneinander gleiten, ohne dass es zu einem Erdbeben kommt. Diese gleichmäßige, gleichmäßige Bewegung wird auch als Krabbeln bezeichnet.

Neue Perspektiven auf das Verhalten von Verwerfungslinien

„Menschen versuchen, diese Reibungseigenschaften zu messen, etwa ob eine Verwerfungszone instabile oder stabile Reibung aufweist, und dann versuchen sie anhand von Labormessungen vorherzusagen, ob es dort zu einem Erdbeben kommen wird oder nicht“, sagte Cai. Er sagte. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass es möglicherweise wichtiger ist, die Geometrie der Verwerfungen in diesen Verwerfungsnetzwerken zu betrachten, da es möglicherweise die komplexe Geometrie der Strukturen um diese Grenzen herum ist, die dieses instabile versus stabile Verhalten erzeugt.“

Die zu berücksichtigende Geometrie umfasst Komplexitäten in den zugrunde liegenden Gesteinsstrukturen wie Biegungen, Lücken und Stufen. Die Studie basiert auf mathematischer Modellierung und Untersuchung von Verwerfungszonen in Kalifornien unter Verwendung von Daten aus der Quaternary Faults Database des US Geological Survey und des California Geological Survey.

Detaillierte Beispiele und frühere Recherchen

Das Forschungsteam, zu dem auch der Absolvent der Brown University, Jaesuk Lee, und der Geophysiker Greg Hirth gehören, liefert ein detaillierteres Beispiel, um zu veranschaulichen, wie Erdbeben entstehen. Sie sagen, man stelle sich Defekte, die miteinander kollidieren, so vor, als hätten sie gezackte Zähne wie die Kante einer Säge.

Wenn weniger oder stumpfe Zähne vorhanden sind, gleiten die Steine ​​sanfter übereinander und ermöglichen so das Kriechen. Wenn die Gesteinsstrukturen in diesen Verwerfungen jedoch komplexer und rauer sind, verkleben und verkleben diese Strukturen. Wenn dies geschieht, erhöhen sie den Druck, und schließlich brechen sie, wenn sie stärker ziehen und drücken, auseinander und verursachen Erdbeben.

Auswirkungen geometrischer Komplexität

Die neue Studie basiert auf vorherige Arbeit Überlegen Sie, warum manche Erdbeben im Vergleich zu anderen Erdbeben in anderen Teilen der Welt eine stärkere Bodenbewegung erzeugen, manchmal sogar solche mit derselben Stärke. Die Studie zeigte, dass die Kollision von Blöcken innerhalb einer Verwerfungszone während eines Erdbebens erheblich zur Erzeugung hochfrequenter Schwingungen beiträgt und ließ die Idee aufkommen, dass möglicherweise auch die geometrische Komplexität unter der Oberfläche eine Rolle dabei spielt, wo und warum Erdbeben auftreten.

Ungleichgewicht und Intensität des Erdbebens

Bei der Analyse von Daten von Verwerfungen in Kalifornien – zu denen auch die bekannte San-Andreas-Verwerfung gehört – stellten die Forscher fest, dass Verwerfungszonen, deren Unterseite eine komplexe Geometrie aufwies, was bedeutet, dass die Strukturen dort nicht parallel waren, stärkere Bodenbewegungen aufwiesen als Bewegungen, die weniger geometrisch waren Komplex. Fehlerzonen. Dies bedeutet auch, dass es in einigen dieser Gebiete stärkere Erdbeben geben wird, in anderen schwächere Erdbeben und in einigen keine Erdbeben.

Dies ermittelten die Forscher anhand der durchschnittlichen Unausgewogenheit der von ihnen analysierten Fehler. Dieses Fehlausrichtungsverhältnis misst, wie nah die Verwerfungen in einem bestimmten Bereich sind und alle in die gleiche Richtung verlaufen, im Gegensatz dazu, wie sie in unterschiedliche Richtungen verlaufen. Die Analyse ergab, dass Verwerfungszonen mit schrägeren Verwerfungen zu Rutschepisoden in Form von Erdbeben führen. Verwerfungszonen, in denen die Verwerfungsgeometrie besser ausgerichtet war, erleichterten ein sanftes Kriechen der Verwerfung ohne Erdbeben.

„Um zu verstehen, wie sich Fehler als System verhalten, ist es wichtig zu verstehen, warum und wie Erdbeben auftreten“, sagte Lee, der Doktorand, der die Arbeit leitete. „Unsere Forschung legt nahe, dass die Komplexität der Fehlernetzwerkarchitektur der Schlüsselfaktor ist und sinnvolle Verbindungen zwischen Sätzen unabhängiger Beobachtungen schafft und sie in einen neuen Rahmen integriert.“

Zukünftige Richtungen in der Erdbebenforschung

Die Forscher sagen, dass noch mehr Arbeit geleistet werden muss, um das Modell vollständig zu validieren, aber diese Vorarbeiten legen nahe, dass die Idee vielversprechend ist, insbesondere da Fehlausrichtungen oder Fehlausrichtungen leichter zu messen sind als Fehlausrichtungseigenschaften. Wenn diese Arbeit gültig ist, könnte sie eines Tages in Erdbebenvorhersagemodelle integriert werden.

Dies liegt derzeit noch in weiter Ferne, da die Forscher beginnen, darüber nachzudenken, wie sie auf der Studie aufbauen können.

„Das Naheliegendste, was als nächstes kommt, ist zu versuchen, über Kalifornien hinauszugehen und zu sehen, wie sich dieses Modell behauptet“, sagte Tsai. „Dies ist möglicherweise eine neue Möglichkeit zu verstehen, wie Erdbeben entstehen.“

Referenz: „Fault Network Geometry Influences the Frictional Behaviour of Earthquakes“ von Jaesuk Lee, Victor C. Tsai, Greg Hirth, Avigyan Chatterjee und Daniel T. Trugman, 5. Juni 2024, Natur.
doi: 10.1038/s41586-024-07518-6

Die Forschung wurde von der National Science Foundation unterstützt. Zum Team gehörten neben Li, Tsai und Hirth auch Avighyan Chatterjee und Daniel T. Trugman von der University of Nevada, Reno.