Jordbävningar producerar seismiska vågor med en rad frekvenser, från lång tid, rullande rörelser som får skyskrapor att svaja, till den ryckiga, högfrekventa vibrationer som orsakar enorma skador på hus och andra mindre strukturer. Ett par geofysiker från Brown University har en ny förklaring till hur dessa högfrekventa vibrationer kan produceras.

I en tidning publicerad i Geofysiska forskningsbrev , Brown fakultetsmedlemmar Victor Tsai och Greg Hirth föreslår att stenar som kolliderar inne i en förkastningszon när en jordbävning inträffar är de främsta generatorerna av högfrekventa vibrationer. Det är en helt annan förklaring än den traditionella, forskarna säger, och det kan hjälpa till att förklara förbryllande seismiska mönster gjorda av vissa jordbävningar. Det kan också hjälpa forskare att förutsäga vilka fel som sannolikt kommer att orsaka de mer skadliga skalven.

"Så som vi normalt tänker på jordbävningar är att stress byggs upp på ett fel tills det slutligen misslyckas, de två sidorna glider mot varandra, och enbart den glidningen är det som orsakar alla markrörelser vi observerar, sa Tsai, en docent vid Browns Department of Earth, Miljö- och planetvetenskap. "Tanken med detta papper är att utvärdera om det finns något annat än att bara haka. Grundfrågan är:Om du har föremål som kolliderar inne i förkastningszonen när den glider, vilken fysik kan bli resultatet av det?"

Ritning från matematiska modeller som beskriver kollisioner av stenar under jordskred och andra skräpflöden, Tsai och Hirth utvecklade en modell som förutsäger de potentiella effekterna av stenkollisioner i förkastningszoner. Modellen föreslog att kollisionerna verkligen kunde vara den främsta drivkraften för högfrekventa vibrationer. Och att kombinera kollisionsmodellen med mer traditionella friktionsslirmodeller ger rimliga förklaringar till jordbävningsobservationer som inte riktigt passar den traditionella modellen ensam, säger forskarna.

Till exempel, den kombinerade modellen hjälper till att förklara återkommande jordbävningar – skalv som inträffar på samma plats i ett förkastning och har nästan identiska seismiska vågformer. Det konstiga med dessa skalv är att de ofta har väldigt olika magnituder, ändå producerar markrörelser som är nästan identiska. Det är svårt att förklara med enbart halka, men är mer vettigt med kollisionsmodellen tillagd, säger forskarna.

"Om du har två jordbävningar i samma förkastningszon, det är samma stenar som slår ihop – eller åtminstone stenar av i princip samma storlek, " sa Tsai. "Så om kollisioner producerar dessa högfrekventa vibrationer, det är inte förvånande att du skulle få samma markrörelser vid de frekvenserna oavsett hur mycket glid som uppstår."

Kollisionsmodellen kan också hjälpa till att förklara varför skalv i mer mogna förkastningszoner - sådana som har haft många skalv under en lång tidsperiod - tenderar att ge mindre skador jämfört med skalv av samma magnitud vid mer omogna förkastningar. Över tid, upprepade skalv tenderar att mala ner klipporna i ett förkastning, gör felen smidigare. Kollisionsmodellen förutspår att jämnare förkastningar med mindre taggiga stenar som kolliderar skulle ge svagare högfrekventa vibrationer.

Tsai säger att mer arbete måste göras för att fullständigt validera modellen, men detta första arbete tyder på att idén är lovande. Om modellen verkligen visar sig giltig, det kan vara till hjälp för att klassificera vilka fel som sannolikt kommer att orsaka mer eller mindre skadliga skalv.

"Folk har gjort några observationer att vissa typer av fel verkar generera mer eller mindre högfrekventa rörelser än andra, men det har inte varit klart varför fel hamnar i den ena eller den andra kategorin, " sa han. "Vad vi tillhandahåller är en potentiell ram för att förstå det, och vi skulle potentiellt kunna generalisera detta till alla fel runt om i världen. Jämnare fel med rundade inre strukturer kan i allmänhet ge mindre högfrekventa rörelser, medan grovare fel skulle tendera att producera mer."

Forskningen tyder också på att vissa långvariga idéer om hur jordbävningar fungerar kan behöva revideras.

"I någon mening kan det betyda att vi vet mindre om vissa aspekter av jordbävningar än vi trodde, " sa Tsai. "Om felhalka inte är hela historien, då behöver vi en bättre förståelse för förkastningszonens struktur."