پیشرفت چشمگیر در پیشبینی زمینلرزه؛ مدلی که با بررسی تغییرات گسل، زلزله را پیشبینی میکند
پژوهشگران مدلی آزمایشگاهی برای شبیهسازی و پیشبینی زمینلرزه توسعه دادهاند که ارتباط سطح تماس میکروسکوپی واقعی بین سطوح گسل و احتمال وقوع زمینلرزه را نشان میدهد.
این دستاورد که در نشریه «گزارشهای آکادمی ملی علوم آمریکا » (PNAS) منتشر شده، پیوند اصطکاک در مقیاس میکروسکوپی و زمینلرزهها را نمایش میدهد و دیدگاههای تازهای درباره مکانیسم زمینلرزهها و امکان پیشبینی آنها ارائه میدهد .
«سیلوین باربو»، دانشیار علوم زمین کالج دورنسایف دانشگاه «USC» و پژوهشگر اصلی این مطالعه، میگوید: «ما در عمل پنجرهای به درون قلب مکانیک زمینلرزهها گشودهایم.»
او توضیح میدهد:
«با مشاهده چگونگی تغییر سطح تماس واقعی بین سطوح گسل در چرخه زمینلرزه، اکنون میتوانیم هم انباشت آهسته تنش در گسلها هم گسیختگی سریع پس از آن را توضیح دهیم. در آینده، این یافته میتواند به رویکردهای جدیدی برای پایش و پیشبینی آغاز زمینلرزهها در مراحل اولیه منجر شود.»
دهههاست دانشمندان برای مدلسازی زمینلرزهها به قوانین تجربی «نرخ و حالت» اصطکاک تکیه کردهاند. این توصیفهای ریاضی عملکرد خوبی دارند ولی سازوکارهای فیزیکی زیربنایی را توضیح نمیدهند.
این مدل نشان میدهد هنگام چرخه زمینلرزه در محل تماس گسل، واقعاً چه اتفاقی میافتد. «باربو» میگوید این کشف مفهومی فریبنده و ساده دارد:
«وقتی ۲ سطح ناهموار روی هم میلغزند، فقط در نقاط ریز و پراکندهای با هم تماس دارند که بخش کوچکی از کل سطح را پوشش میدهد.»
این «سطح تماس واقعی» که با چشم دیده نمیشود ولی از طریق روشهای نوری قابلاندازهگیری است – درنهایت همان متغیر حالت کلیدی است که رفتار زمینلرزه را کنترل میکند.
زمینلرزههای آزمایشگاهی: ثبت زلزله درلحظه
در این مطالعه از مواد شفاف اکریلیک استفاده شد که به پژوهشگران امکان داد گسیختگیهای زمینلرزه را درلحظه مشاهده کنند.
با بهرهگیری از دوربینهای پرسرعت و اندازهگیریهای نوری، تیم پژوهشی تغییرات عبور نور LED را ردیابی کرد؛ این تغییرات نشان میدادند چگونه محلهای تماس در زمینلرزههای آزمایشگاهی شکل میگیرند، رشد میکنند و از بین میروند.
«باربو» توضیح میدهد:
«میتوانیم به معنای واقعی کلمه سیر تحول سطح تماس را هنگام گسترش گسیختگیها به چشم ببینیم. طی گسیختگیهای سریع، حدود ۳۰ درصد سطح تماس در چند میلیثانیه ناپدید میشود؛ تضعیف چشمگیری که محرک زمینلرزه است.»
این نتایج آزمایشگاهی رابطهای پنهان را آشکار کردند: «متغیر حالت» تجربی که دهههاست در مدلهای استاندارد زمینلرزه به کار میرود، در واقع نمایانگر سطح تماس واقعی بین سطوح گسل است. این کشف نخستین تفسیر فیزیکی از مفهومی ریاضی است که از دهه ۱۹۷۰ تاکنون نقشی محوری در علم زمینلرزه داشته است.
از شبیهسازی تا پیشبینی
پژوهشگران ۲۶ سناریوی شبیهسازیشده مختلف از زمینلرزه را تحلیل کردند و دریافتند رابطه سرعت گسیختگی و انرژی شکست با پیشبینیهای مکانیک شکست خطی-الاستیک همخوانی دارد.
شبیهسازیهای رایانهای تیم پژوهشی توانستند هم زمینلرزههای آهسته هم سریع آزمایشگاهی را با موفقیت بازتولید کنند؛ طوریکه نهفقط سرعت گسیختگی و کاهش تنش، بلکه میزان نوری که هنگام گسیختگی از سطح گسل عبور میکرد، نیز با دادههای آزمایشگاهی مطابقت داشت.
ازآنجاکه سطح تماس در چرخه زمینلرزه تغییر میکند، این تغییرات بر چندین ویژگی قابلاندازهگیری ازجمله رسانایی الکتریکی، تراوایی هیدرولیکی و عبور امواج لرزهای تأثیر میگذارند.
ازآنجاییکه سطح تماس واقعی بر چندین ویژگی فیزیکی منطقه گسل اثر میگذارد، پایش پیوسته این شاخصهای غیرمستقیم در چرخههای زمینلرزه میتواند دیدگاههای تازهای درباره رفتار گسلها ارائه دهد.
پیامدهای این پژوهش فراتر از درک صرفاً آکادمیک و آزمایشهای آزمایشگاهی است. نتایج نشان میدهند پایش وضعیت فیزیکی تماسهای گسلی میتواند ابزارهای جدیدی برای سامانههای پیشآگاهی کوتاهمدت زمینلرزه فراهم کند و حتی امکان پیشبینی معتبر زمینلرزه را از طریق اندازهگیری رسانایی الکتریکی گسل فراهم کند.
باربو توضیح میدهد:
«اگر بتوانیم این ویژگیها را پیوسته در گسلهای طبیعی پایش کنیم، ممکن است بتوانیم مراحل اولیه شکلگیری زمینلرزه را تشخیص بدهیم. این امر میتواند به رویکردهای جدیدی برای پایش آغاز زمینلرزه در مراحل ابتدایی، پیش از آنکه امواج لرزهای ساطع شوند، منجر شود.»
پژوهشگران قصد دارند یافتههایشان را فراتر از شرایط کنترلشده آزمایشگاهی توسعه دهند. باربو توضیح میدهد مدل این مطالعه، بنیانهای فیزیکی لازم برای درک چگونگی تکامل ویژگیهای گسلها در طول چرخههای لرزهای را فراهم میکند.
او نتیجه میگیرد:
«تصور کنید آیندهای را که در آن بتوانیم تغییرات ظریف شرایط گسل را پیش از وقوع زمینلرزه تشخیص دهیم. این قضیه پتانسیل بلندمدت این پژوهش است.»
