Om det är ett ord du inte ska använda när du diskuterar allvarlig jordbävningsvetenskap, det är "förutsäga". Seismologer kan inte förutsäga jordbävningar; istället beräknar de hur sannolikt det är att stora jordbävningar inträffar längs ett visst förkastning under en given tidsperiod.

Det är en fråga om debatt bland seismologer om processen som driver jordbävningar — belastningen av spänningar längs ett förkastning följt av plötsligt, skarpt frigörande av energi när två tektoniska plattor mal mot varandra - är en stokastisk (slumpmässig) process, för vilka endast en uppskattning av sannolikheten att inträffa kan göras, eller om det är en deterministisk, och potentiellt förutsägbara, bearbeta.

Seismologer vid Caltech studerade ett decenniums värde av så kallade "slow-slip-händelser, "som härrör från episodiska felglidningar som vanliga jordbävningar men bara genererar knappt märkbara skakningar, i Cascadia-regionen i Pacific Northwest. Deras analys visar att denna speciella typ av seismisk händelse är deterministisk och potentiellt kan vara förutsägbara dagar eller till och med veckor i förväg.

En artikel om arbetet publicerades i tidskriften Vetenskapens framsteg den 1 juli.

"Deterministiska kaotiska system, trots namnet, har viss förutsägbarhet. Denna studie är ett proof of concept för att visa att friktion i naturlig skala beter sig som ett kaotiskt system, och har följaktligen en viss grad av förutsägbarhet, säger Adriano Gualandi, tidningens huvudansvarige och motsvarande författare. Gualandi var postdoktor i Jean-Philippe Avouacs labb, Earle C. Anthony professor i geologi och maskin- och anläggningsteknik, under arbetet med denna forskning. Gualandi och Avouac samarbetade med Sylvain Michel, som arbetade med detta projekt som doktorand vid Caltech, och Davide Faranda från Institut Pierre Simon Laplace i Frankrike om studien.

Händelser med långsam glidning noterades först för ungefär två decennier sedan av geoforskare som spårade annars omärkliga förändringar i jorden med hjälp av global positioneringssystem (GPS)-teknik. Händelserna inträffar när tektoniska plattor maler otroligt långsamt mot varandra, som en jordbävning i slow motion. En händelse med långsam glidning som inträffar under loppet av veckor kan frigöra samma mängd energi som en en minut lång jordbävning med magnituden 7,0. Dock, eftersom dessa skalv frigör energi så långsamt, deformationen som de orsakar vid ytan är på skalan av millimeter, trots att det påverkar områden som kan sträcka sig över tusentals kvadratkilometer.

Som sådan, Slow-slip-händelser upptäcktes först när GPS-tekniken förfinades till den grad att den kunde spåra just dessa minutskiften. Slow-slip händelser inträffar inte heller längs varje förkastning; än så länge, de har setts på bara en handfull platser inklusive Pacific Northwest, Japan, Mexiko, och Nya Zeeland.

Slow-slip händelser är användbara för forskare eftersom de bygger upp och återkommer ofta, gör det möjligt att studera hur töjningar belastar och släpper längs ett förkastning. Under en 10-årsperiod, 10 magnitud 7,0 eller mer långsamma jordbävningar kan inträffa längs ett givet förkastning. Däremot de flesta vanliga jordbävningar av den storleken återkommer bara i storleksordningen hundratals år. På grund av denna tidsförskjutning mellan vanliga stora jordbävningar och avsaknaden av instrumentella rekord från hundratals år sedan, det är omöjligt att exakt jämföra tidigare händelser med nyare.

Trots deras namn, slow-slip-händelser erbjuder seismologer ett sätt att trycka "snabbspolning framåt" på laddnings-/glidprocessen som driver jordbävningar. På en kort tidsram på cirka 10 år, Seismologer som använder toppmodern GPS-utrustning kan se cykeln upprepa sig flera gånger.

Slow-slip-händelser representerar vad som är känt som ett "påtvingat icke-linjärt dynamiskt system." Rörelsen hos de tektoniska plattorna är den kraft som driver systemet, medan friktionen mellan plattorna, vilket gör att trycket byggs upp och sedan så småningom släpps ut vid en halka, gör systemet icke-linjärt; i ett icke-linjärt system, förändringen i produktionen är inte proportionell mot förändringen i input. Trots det faktum att både rörelsen och friktionen kan modelleras med hjälp av helt deterministiska differentialekvationer, startförhållandena för systemet – hur mycket påfrestning felet redan är under, till exempel – ha en betydande inverkan på långsiktiga resultat. Att inte känna till de exakta startvillkoren är en av de möjliga anledningarna till att det övergripande systemet är oförutsägbart i det långa loppet. Dock, en undersökning av felhalkhistoriken kan avslöja hur ofta och hur länge liknande mönster upprepas över tiden. På det här sättet, teamet kunde bedöma förutsägbarhetshorisonten för långsamma händelser.

"Detta resultat är mycket uppmuntrande, " säger Gualandi. "Det visar att vi är på rätt väg och, om vi lyckas få mer exakta uppgifter, vi skulle kunna göra några realtidsförutsägelseexperiment för långsamma jordbävningar."

Gualandi liknar den potentiella förutsägelsen om en långsamt glidande händelse med den nuvarande vetenskapen om att förutsäga vädret, som också involverar förutsägelser om ett komplex, kaotisk process (och på liknande sätt faller av i noggrannhet efter en vecka eller så). "Vi vet redan att det kommer en ny långsam jordbävning ungefär var 12:e till 14:e månad, men vi vet inte exakt när det kommer att ske. Det vi har visat är att det verkar vara möjligt att avgöra när felet kommer att glida några dagar innan det inträffar, liknar hur vädret kan förutses ganska exakt ett par dagar i förväg."

En nyckelfråga är om resultaten av långsamt glidande skalv kan översättas till de vanliga jordbävningarna som skakar städer och äventyrar liv och egendom. Förra året Michel, Avouac, och Gualandi rapporterade bevis för att jordbävningar med långsam glidning är en bra analog för deras mer destruktiva kusiner.

"Om analogin som vi drar mellan långsamma jordbävningar och vanliga jordbävningar är korrekt, då är vanliga jordbävningar förutsägbara, " Avouac säger. "Men även om vanliga jordbävningar är deterministiska, förutsägbarhetshorisonten kan vara mycket kort, möjligen i storleksordningen några sekunder, som kan vara av begränsad nytta. Vi vet inte än."

Tidningen har titeln "Det förutsägbara kaoset av långsamma jordbävningar."