Jordens underyta är en extremt aktiv plats, där plattornas rörelser och friktion djupt under jorden formar vårt landskap och styr intensiteten av farorna ovanför. Medan jordens rörelser under jordbävningar och vulkanutbrott har registrerats av känsliga instrument, analyseras av forskare och begränsas av matematiska ekvationer, de berättar inte hela historien om de skiftande plattorna under våra fötter.

Under de senaste två decennierna har tillkomsten av det globala positioneringssystemet – inklusive mottagare med extremt känsliga sensorer som fångar millimeters rörelse – har gjort forskare medvetna om jordbävningsliknande fenomen som har varit utmanande att reda ut. Bland dem finns så kallade slow slip-evenemang, eller långsamma jordbävningar – glidning som sker under veckor i taget utan att människor känner till på ytan.

Dessa långsamma glidhändelser inträffar över hela världen och kan möjligen bidra till att utlösa större jordbävningar. De största långsamma glidhändelserna inträffar i subduktionszoner, där en tektonisk platta dyker under en annan, så småningom bildar berg och vulkaner under miljontals år. Nya datorsimuleringar producerade av forskare vid Stanford University och publicerade online 15 juni i Journal of the Mechanics and Physics of Solids kan förklara dessa dolda rörelser.

"Långsam glidning är ett så spännande fenomen. Händelser med långsam glidning är både så utbredda och verkligen så oförklarliga att de är ett pussel som dinglar framför oss som vetenskapsmän som vi alla vill lösa, " sa studiens medförfattare Eric Dunham, en docent i geofysik vid Stanfords School of Earth, Energi- och miljövetenskap (Stanford Earth). "Vi har känt till långsam glidning i nästan 20 år och det finns fortfarande ingen stor förståelse för varför det händer."

Smyg men stark

Dessa händelser är särskilt utmanande att förklara på grund av deras instabila men tröga karaktär. Felet glider inte stadigt utan istället, glider med jämna mellanrum, accelererar, men når aldrig den punkt där den sänder ut seismiska vågor som är tillräckligt stora för att människor ska kunna upptäcka.

Trots deras smygande natur, långsamma slip händelser kan läggas till. I en isström i Antarktis, händelserna med långsam glidning inträffar två gånger dagligen, senaste 30 minuterna och motsvarar jordbävningar på magnituden 7,0, sa Dunham.

Forskare tror att förändringar i friktion förklarar hur snabbt rock på vardera sidan av förkastningen glider. Med det i åtanke, de antog att händelser med långsam glidning började som jordbävningar, med en typ av friktion som kallas hastighetsförsvagning som gör glidningen fundamentalt instabil. Men många laboratoriefriktionsexperiment motsatte den idén. Istället, de hade funnit att stenar från områden med långsam glidning uppvisar en mer stabil typ av friktion som kallas hastighetsförstärkning, allmänt ansett att producera stabil glidning. De nya datorsimuleringarna löste denna inkonsekvens genom att visa hur långsam glidning kan uppstå med motsatt till synes hastighetsförstärkande friktion.

"En handfull studier hade visat att det finns sätt att destabilisera hastighetsförstärkande friktion. tills vår tidning, ingen hade insett att om du simulerade dessa instabiliteter, de förvandlas faktiskt till långsam glid, de förvandlas inte till jordbävningar, " enligt huvudförfattaren Elias Heimisson, doktorand vid Stanford Earth. "Vi har också identifierat en ny mekanism för att generera långsam glidinstabilitet."

Fysikens lagar

Dunhams forskargrupp närmar sig obesvarade frågor om jorden genom att överväga alla möjliga fysiska processer som kan vara på gång. I detta fall, fel uppstår i bergarter som är mättade i vätska, ger dem vad som kallas en porelastisk natur där porerna tillåter berget att expandera och dra ihop sig, som ändrar vätsketrycket. Gruppen var nyfiken på hur dessa tryckförändringar kan förändra friktionsmotståndet på fel.

"I detta fall, vi började inte på det här projektet för att förklara händelser med långsam glidning – vi började på det eftersom vi visste att stenar har denna porelastiska natur och vi ville se vilka konsekvenser det fick, "Vi trodde aldrig att det skulle ge upphov till långsamma sliphändelser och vi trodde aldrig att det skulle destabilisera fel med denna typ av friktion."

Med dessa nya simuleringar som står för bergets porösa natur, gruppen fann att när stenar kläms ihop och vätskor inte kan komma ut, trycket ökar. Den tryckökningen minskar friktionen, leder till en långsam glidning.

"Teorin är på hög nivå, ", sa Heimisson. "Vi ser de här intressanta sakerna när man tar hänsyn till porelasticitet och folk kanske vill använda det mer brett i modeller av seismiska cykler eller specifika jordbävningar."

Heimisson kommer att skapa en 3D-simulering baserad på denna teori som postdoktor vid California Institute of Technology.