محققان دانشگاه تگزاس با موفقیت الگویی از لرزش‌های “پیش لرزه” ساخته شده در آزمایشگاه را جدا کردند

درک ارتباط بین فعالیت لرزه ای و فرآیند هسته زایی (انوکلئاسیون) یا دگرش فازی زلزله، یک هدف اساسی در لرزه شناسی زمین لرزه است که پیامد های مهمی برای سیستم های هشدار اولیه زلزله و پیش بینی آن دارد.

محققان دانشگاه تگزاس در آستین با موفقیت الگویی از لرزش‌های “پیش لرزه” ساخته  شده در آزمایشگاه را جدا کردند. این یافته این امید را به وجود می آورد که زمین لرزه های آینده را بتوان با مجموعه ای از پیش لرزه‌های کوچکترکه قبل از آن رخ می‌دهند، پیش بینی کرد.

این تحقیق در مجله نیچر منتشر شده است. گام بعدی تکرار نتایج در دنیای واقعی است. محقق اصلی چاس بولتون این کار را آغاز خواهد کرد. امسال آزمایش ولقعی از تگزاس شروع می‌شود، جایی که امیدوار است الگوهای مشابه را در اندازه گیری های انجام شده توسط شبکه لرزه نگاری ایالت، Texnetجدا کند.

بولتون که این کار را در دوران فوق دکتری در موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تگزاس انجام داد، می‌گوید: اگر بخواهیم زمین لرزه‌ها را پیش بینی کنیم، باید بتوانیم آنچه را که قبل از زلزله اتفاق می‌افتد، اندازه گیری، توصیف و درک کنیم. بولتون در حال حاضر یکی از پژوهشگران وابسته به دفتر زمین شناسی اقتصادی آستین است که مدیریت TexNet را برعهده دارد. هم موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تگزاس و هم این دفتر بخشی از دانشکده علوم زمین شناسی UT Jackson هستند.

زمین لرزه در چرخه های نامنظم اتفاق می‌افتد و تشخیص زمان و مکان وقوع زلزله بعدی را دشوار می‌سازد. اگر چه رکوردهای لرزه‌ای نشان می دهند که لرزش‌ها و دیگر حرکات زمین شناسی قبل از زلزله های بزرگ رخ می‌دهند. دانشمندان الگوی لرزش گرمایش اولیه در زمین لرزه های آزمایشگاهی جدا کردند. دستیار تحقیقاتی چاس بولتون و دانشجوی فوق دکتری سریشاران شریدهاران، سنسور هایی را بر روی گسل زلزله آزمایشگاهی در موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تگزاس نصب کردند. 

 رویکرد بولتون شامل ایجاد زلزله‌هایی در آزمایشگاه و جستجوی الگویی در  “نویزهای” لرزه‌ای قبل از زلزله است.

بولتون و همکارانش چرخه های زلزله را بر روی یک گسل کوچک آزمایشگاهی در ایالت پن اندازه گیری کردند.

 چنین الگویی برای زلزله های کُند یا ضعیف تر یافت نشد. بولتون گفت که این الگو قابل توجه است زیرا بدین معنی است که لرزش ها به شوک یا لرزه اصلی متصل هستند. او می‌گوید: این كار به شما توضیح عملي و فیزیکی می‌دهد که چه چیزی پیش لرزه ها را کنترل میکند. همچنین به محققان الگویی گویا می دهد تا در دنیای واقعی به دنبال آن باشند. 

چاس بولتون، محقق در UT Austin  از این دستگاه برای بررسی لرزش های هشدار دهنده اولیه استفاده می‌کند، پرس‌های هیدرولیک زرد فشار زمین ساختی را شبیه سازی می کنند در حالی که حسگرها لرزش های کوچک را ثبت می کنند.

تشخیص چنین الگویی هایی در گسل هایی که صدها كيلومتر طول دارند و به اعماق زمین می‌رسند آسان نخواهد بود.

دمیان سامر، یکی از نویسندگان و مدیر گروه موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تگزاس گفت که با این وجود این یافته ها نشان می‌دهند که چرا ردیابی گسل های دنیای واقعی با مانیتورهای لرزه‌ای که می‌توانند تغییرات ظریف در زمین را شناسایی کنند، بسیار مهم است.

اگر ما واقعا بخواهیم این پدیده ها را شناسایی کنیم، به حسگر ها و مشاهدات بلند مدت نیاز داریم که بتوانند به این شكستگي و لغزش نظارت کنند تا به ما بگویند که گسل چگونه رفتار می کند. او گفت در حال حاضر بولتون درحال آزمایش یک گسل مصنوعی بسیار بزرگتر و 3 فوتی در موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تگزاس است.

از اندازه گیری شکل موج انتشار اکوستیک (AE) با وضوح بالا که یک طیف از نرخ های لغزشی کُند تا سریع را در برمی گیرد، استفاده می‌شود تا ویژگی های مکانی-زمانی پیش لرزه‌های آزمایشگاهی و فرایندهای هسته زایی بررسی شود.

شباهت شکل موج و زمان حرکت تفاضلی (DTT) بین (AEs) را در طول سیکل لرزه‌ای اندازه گیری می‌شود. (AE) هایی که قبل از آزمایش لرزه های آهسته پخش می‌شوند، DTT کوچک و شباهت شکل موج بالایی نسبت به آزمایش لرزه‌های سریع دارند.

آزمایش نشان می‌دهد که در طول لغزش آرام، گسل هرگز بسته یا قفل نمی‌شود و شباهت شکل موج و زمان حرکت تفاضلی دو به دو در طول چرخه لرزه‌ای تکامل نمی‌یابد.  درمقابل، زمین لرزه‌های آزمایشگاهی سریع با افزایش سریع شباهت شکل موج در اواخر چرخه لرزه‌ای و کاهش زمان حرکت تفاضلی،  پیش می‌روند که نشان می‌دهد (AEs) با افزایش سرعت لغزش گسل که منجر به شکست می‌شود، شروع به ادغام و یکی شدن می‌کند.

این مشاهدات به تفاوت‌های کلیدی در فرایند هسته زایی زلزله‌های آهسته و سریع اشاره می‌کند و نشان می‌دهد که تکامل مکانی و زمانی پیش لرزه های آزمایشگاهی با سرعت لغزش گسل مرتبط است.

a تا g بیانگر نمونه شکل موج های الگو برای محاسبه شباهت شکل موج استفاده شده می‌باشند. توجه داشته باشید که هر ردیف مربوط به یک کانال متفاوت است. امواج کامل 150 میکروثانیه ای به رنگ سیاه نمایش داده شده و نمونه های استفاده شده برای انجام متقابل سازی با رنگ قرمز (نمونه 1) و رنگ سبز (نمونه 2) نشان داده شده است. قالب ها با طول 15 میکروثانیه و شروع 5 میکروثانیه قبل از ورود موج P  و 10 میکروثانیه، بعد از ورود موج P گسترش می‌یابند.

ستون اخر در هر پنل، تابع همبستگی متقاطع به دست آمده از تطابق الگوهای قرمز و سبز را نشان می‌دهد. توجه داشته باشید که نمودارها  براساس شباهت به صورت عمودی مرتب شده‌اند. تشابه شکل موج  را با اندازه گیری حداکثر مقدار مطلق تابع همبستگی متقاطع و میانگین 6 کانال بالایی تعیین می‌شود.

a تا d حداکثر ضریب همبستگی متقاطع و حداقل  DTT به عنوان تابعی از تنش اوج قبل از شکست هم لرزه ای به دست آمد. درصد تنش اوج، با نرمال سازی تنش برشی لحظه ای بر تنش برشی اوج قبل از شکست هم لرزه ای محاسبه می‌شود. شکل موج همبستگی متقاطع داده شده و DTT با استقاده از داده‌های 15 چرخه لرزه‌ای تخمین زده شده است.  نقاط خاکستری نشان دهنده اندازه گیری های خام و خط قرمز نشان دهنده میانه به دست آمده از رویکرد پنجره متحرک است. شباهت DTT و شکل موج در طول چرخه لرزه ای برای رویداد های  لغزش آهسته در 8 مگاپاسکال ثابت می‌ماند.

رویدادهای لغزشی سریع در 14 مگاپاسکال افزایش قابل توجهی در DTT و کاهش شباهت را نشان می‌دهند. تنش برشی کمتر از 40 درصد تنش بیشینه آن است. در مقابل، داده‌ها یک افزایش شباهت شکل موج و کاهش DTT را زمانی که گسل از -80 درصد تنش بیشینه فراتر میرود را نشان می‌دهد.

تصور می‌شود AEs های تولید شده در طول دوره بین لرزه ای محصول جانبی لغزش اصطکاکی در امتداد اتصالات تماس دانه‌ای هستند. از آنجا که این آزمایش‌ها با استفاده از سطوح گرانیتی پوشیده شده با یک لایه نازک پودر انجام می‌شود، AEs ها احتمالا از فرآیندهای میکرومکانیکی زیر تولید می‌شوند: 1) شکست ناهمواری سنگ- سنگ (زبری سنگ)، 2) لغزش در اتصالات تماسی ایجاد شده در امتداد گسل ( شکل 4).

ارزیابی تجزیه و تحلیل آزمایش‌های گذشته نشان می‌دهد که بیشتر سطح مشترک برشی توسط لایه نازک از پودر کوارتز پوشیده شده است و تنها درصد کمی از سطح شامل مناطق زبری سنگ-سنگ است. از این رو، این احتمال وجود دارد که بیشتر تشعشعات اکوستیک از اتصالات تماسی در نواحی موضعی (مناطقی به اندازه و سایز میلی متر) که از لایه‌ای شامل مواد پرکننده سیلت و رس نشأت گرفته، ایجاد می‌شود.

این مسئله با این واقعیت مطابقت دارد که گسل در طول دوره بین لرزه‌ای برای رویدادهای لغزش آهسته قفل نمی‌شود و به AFs اجازه می‌دهد از مناطق متعدد در سراسر صفحه گسل ایجاد شوند.

بنابراین در طول لغزش آهسته، AE ها احتمالا از مجموعه ای از مناطق محلی در سراسر منطقه گسل پخش  می‌شوند، که به نوبه خود، DTT کم و شباهت شکل موج بالا بین جفت رویداد ایجاد می‌کند.

دمیان سامر مدیر گروه ژئوفیزیک دانشگاه تگزاس مي‌گويد: گسل بزرگتر آزمایشگاهی به بهبود درک نحوه عملکرد این لغزش در طبیعت کمک خواهد کرد. این آزمایش ها علاوه بر تحقیقات انجام شده در زمینه TexNet (شبکه متنی)، به تحلیل سکانس های لرزش در تگزاس در ارتباط با زمین لرزه‌های بزرگتر از بزرگای 5 نیز خواهند پرداخت.