Недра Земли являются чрезвычайно активным местом, где движение и трение плит глубоко под землей формируют наш ландшафт и определяют интенсивность опасностей наверху. Хотя движения Земли во время землетрясений и извержений вулканов регистрируются тонкими приборами, анализируются исследователями и ограничиваются математическими уравнениями, они не рассказывают всей истории сдвига плит под нашими ногами.
За последние два десятилетия появление глобальной системы позиционирования, включая приемники с чрезвычайно чувствительными датчиками, которые фиксируют миллиметры движения, заставило ученых узнать о явлениях, подобных землетрясениям, которые было сложно распутать. Среди них так называемые медленные сдвиги, или медленно движущиеся землетрясения - сдвиги, которые происходят в течение нескольких недель без ведома людей на поверхности.
Эти медленные сдвиги происходят по всему миру и, возможно, вызывают более сильные землетрясения. Крупнейшие события медленного скольжения происходят в зонах субдукции, где одна тектоническая плита погружается под другую, в конечном итоге образуя горы и вулканы на протяжении миллионов лет. Новое компьютерное моделирование, созданное исследователями из Стэнфордского университета и опубликованное 15 июня в Журнале механики и физики твердых тел, может объяснить эти скрытые движения.
«Медленное скольжение - такое интригующее явление. Медленные скольжения настолько широко распространены и настолько необъяснимы, что представляют собой загадку, которая висит перед нами, учеными, которую мы все хотим решить», - сказал соавтор исследования. Эрик Данэм, адъюнкт-профессор геофизики Стэнфордской школы наук о Земле, энергетике и окружающей среде (Stanford Earth).«Мы знаем о медленном скольжении уже почти 20 лет, но до сих пор не очень хорошо понимаем, почему это происходит».
Скрытый, но сильный
Эти события особенно сложно объяснить из-за их нестабильного, но вялого характера. Разлом не скользит устойчиво, а вместо этого, периодически скользя, ускоряется, но никогда не достигает точки, где он посылает сейсмические волны, достаточно большие, чтобы люди могли их обнаружить.
Несмотря на свою скрытность, события с медленным скольжением могут складываться. По словам Данхэма, в ледяном потоке в Антарктиде два раза в день происходят медленные сдвиги, длящиеся 30 минут и эквивалентные землетрясениям магнитудой 7,0..
Исследователи считают, что изменения в трении объясняют, как быстро горные породы смещаются по обе стороны от разлома. Имея это в виду, они предположили, что события медленного скольжения начинаются как землетрясения с типом трения, известным как ослабление скорости, которое делает скольжение фундаментально нестабильным. Но многие лабораторные эксперименты по трению противоречили этой идее. Вместо этого они обнаружили, что породы из областей с медленным скольжением демонстрируют более стабильный тип трения, известный как усиление скорости, которое, как считается, обеспечивает стабильное скольжение. Новое компьютерное моделирование разрешило это несоответствие, показав, как медленное скольжение может возникать при кажущемся противоположным трении, увеличивающем скорость.
Несколько исследований показали, что существуют способы дестабилизировать трение, увеличивающее скорость. Однако до нашей статьи никто не осознавал, что если моделировать эти нестабильности, они на самом деле превращаются в медленное скольжение, они не «превратиться в землетрясения», - говорит ведущий автор Элиас Хеймиссон, докторант Стэнфордского университета Земли. «Мы также выявили новый механизм возникновения нестабильности с медленным скольжением».
Законы физики
Исследовательская группа Данэма подходит к оставшимся без ответа вопросам о Земле, рассматривая все возможные физические процессы, которые могут иметь место. В этом случае разломы возникают в породах, насыщенных жидкостью, что придает им то, что известно как пороупругий характер, при котором поры позволяют породе расширяться и сжиматься, что изменяет давление жидкости. Группе было любопытно, как эти изменения давления могут изменить сопротивление трению при разломах.
«В данном случае мы начали этот проект не для того, чтобы объяснить явления медленного проскальзывания - мы начали его, потому что знали, что породы имеют эту пороупругую природу, и мы хотели увидеть, какие последствия это имеет», - сказал Данхэм. «Мы никогда не думали, что это приведет к медленным событиям проскальзывания, и мы никогда не думали, что это дестабилизирует разломы с таким типом трения».
С помощью этих новых симуляций, учитывающих пористую природу породы, группа обнаружила, что по мере того, как породы сжимаются и жидкости не могут выйти, давление увеличивается. Это увеличение давления снижает трение, что приводит к медленному проскальзыванию.
«Теория высокого уровня», - сказал Хеймиссон. «Мы видим эти интересные вещи, когда вы учитываете пороупругость, и люди могут захотеть использовать ее более широко в моделях сейсмических циклов или конкретных землетрясений».
Хеймиссон будет создавать 3D-моделирование на основе этой теории в качестве научного сотрудника Калифорнийского технологического института.
Мартин Алмквист, научный сотрудник с докторской степенью в Департаменте геофизики, является соавтором исследования.
Исследование проводилось при поддержке Стэнфордского консорциума по индуцированной и вызванной сейсмичности, Центра землетрясений в Южной Калифорнии, штаб-квартиры НАСА в рамках Программы стипендий НАСА по науке о Земле и космосе и Фонда Кнута и Элис Валленберг..