Jordbävningar kan vara plötsliga utbrott av hembrott, marken knäckande energi när skivor av planetens skorpa länge hålls på plats av friktion plötsligt glider och slingrar sig.

"Vi tänker vanligtvis på att plattorna på vardera sidan av ett fel rör sig, deformerande, bygga upp stress och sedan:Bom, en jordbävning inträffar, " sa Stanford University geofysiker Eric Dunham.

Men djupare ner, dessa stenblock kan glida stadigt förbi varandra, kryper längs sprickor i jordskorpan i ungefär samma takt som dina naglar växer.

Det finns en gräns mellan de lägre, krypande del av felet, och den övre delen som kan stå låst i århundraden i sträck. I årtionden, forskare har undrat över vad som styr denna gräns, dess rörelser och dess förhållande till stora jordbävningar. Främst bland de okända är hur vätska och tryck migrerar längs förkastningar, och hur det får fel att glida.

En ny fysikbaserad felsimulator utvecklad av Dunham och kollegor ger några svar. Modellen visar hur vätskor som stiger upp genom anfall och starter gradvis försvagar felet. Under decennierna fram till stora jordbävningar, de verkar driva gränsen, eller låsdjup, en mil eller två uppåt.

Migrerande svärmar

Forskningen, publicerad 24 september in Naturkommunikation , föreslår också att när pulser av högtrycksvätskor närmar sig ytan, de kan utlösa jordbävningssvärmar—strängar av skalv som samlas i ett lokalt område, vanligtvis över en vecka eller så. Att skaka från dessa seismiska svärmar är ofta för subtilt för att folk ska märka, men inte alltid:En svärm nära den södra änden av San Andreas-förkastningen i Kalifornien i augusti 2020, till exempel, producerade ett skalv med magnituden 4,6 starkt nog att rassla omgivande städer.

Var och en av jordbävningarna i en svärm har sin egen efterskalvsekvens, i motsats till ett stort huvudskalv följt av många efterskalv. "En jordbävningssvärm involverar ofta migration av dessa händelser längs ett förkastning i någon riktning, horisontellt eller vertikalt, " förklarade Dunham, senior författare av tidningen och en docent i geofysik vid Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskaper (Stanford Earth).

Simulatorn kartlägger hur denna migrering fungerar. Medan mycket av den avancerade jordbävningsmodelleringen de senaste 20 åren har fokuserat på friktionens roll för att låsa upp fel, det nya arbetet står för interaktioner mellan vätska och tryck i felzonen med hjälp av en förenklad, tvådimensionell modell av ett förkastning som skär vertikalt genom hela jordskorpan, liknande San Andreas Fault i Kalifornien.

"Genom beräkningsmodellering, vi kunde reta ut några av grundorsakerna till felbeteende, " sa huvudförfattaren Weiqiang Zhu, en doktorand i geofysik vid Stanford. "Vi fann att ebb och flöde av tryck runt ett fel kan spela en ännu större roll än friktion för att diktera dess styrka."

Underjordiska ventiler

Fel i jordskorpan är alltid mättade med vätskor - mest vatten, men vatten i ett tillstånd som suddar ut skillnaderna mellan vätska och gas. Vissa av dessa vätskor har sitt ursprung i jordens mage och vandrar uppåt; vissa kommer från ovan när regn sipprar in eller energiutvecklare injicerar vätskor som en del av olja, gas- eller geotermiska projekt. "Ökningar i trycket på den vätskan kan trycka ut på väggarna i felet, och göra det lättare för felet att glida, " sa Dunham. "Eller, om trycket minskar, som skapar ett sug som drar ihop väggarna och förhindrar glidning."

I årtionden, studier av stenar som grävts fram från förkastningszoner har avslöjat kontrollanta sprickor, mineralfyllda ådror och andra tecken på att trycket kan fluktuera vilt under och mellan stora skalv, leder geologer att teoretisera att vatten och andra vätskor spelar en viktig roll för att utlösa jordbävningar och påverka när de största vätskorna slår till. "Stenarna själva säger till oss att detta är en viktig process, " sa Dunham.

På senare tid, forskare har dokumenterat att vätskeinjektion relaterad till energiverksamhet kan leda till jordbävningssvärmar. Seismologer har kopplat samman olje- och gasavloppsbrunnar, till exempel, till en dramatisk ökning av jordbävningar i delar av Oklahoma som började omkring 2009. Och de har funnit att jordbävningssvärmar migrerar längs förkastningar snabbare eller långsammare i olika miljöer, oavsett om det är under en vulkan, runt en geotermisk verksamhet eller inom olje- och gasreservoarer, möjligen på grund av stor variation i vätskeproduktionshastigheter, Dunham förklarade. Men modellering hade ännu inte reda ut nätet av fysiska mekanismer bakom de observerade mönstren.

Dunham och Zhus arbete bygger på ett koncept av fel som ventiler, som geologer först lade fram på 1990-talet. "Tanken är att vätskor stiger upp längs förkastningar intermittent, även om dessa vätskor släpps ut eller injiceras med jämn hastighet, ständig gradering, " förklarade Dunham. Under decennier till tusentals år mellan stora jordbävningar, mineralavsättning och andra kemiska processer tätar förkastningszonen.

Med felventilen stängd, vätska ansamlas och trycket byggs upp, försvagar felet och tvingar det att glida. Ibland är denna rörelse för liten för att skapa skakningar på marken, men det räcker för att spricka stenen och öppna ventilen, låta vätskor återuppta sin uppstigning.

Den nya modelleringen visar för första gången att när dessa pulser färdas uppåt längs förkastningen, de kan skapa jordbävningssvärmar. "Konceptet med en felventil, och intermittent frisättning av vätskor, är en gammal idé, ", sa Dunham. "Men förekomsten av jordbävningssvärmar i våra simuleringar av felventiler var helt oväntat."

förutsägelser, och deras gränser

Modellen gör kvantitativa förutsägelser om hur snabbt en puls av högtrycksvätskor migrerar längs förkastningen, öppnar upp porerna, gör att felet glider och utlöser vissa fenomen:förändringar i låsdjupet, i vissa fall, och omärkligt långsamma förkastningsrörelser eller kluster av små jordbävningar i andra. Dessa förutsägelser kan sedan testas mot den faktiska seismiciteten längs ett fel – med andra ord, när och var små eller långsamma jordbävningar uppstår.

Till exempel, en uppsättning simuleringar, där felet var inställt på att täta och stoppa vätskemigrering inom tre eller fyra månader, förutspådde lite mer än en tums glidning längs förkastningen precis runt låsdjupet under loppet av ett år, med cykeln som upprepas med några års mellanrum. Denna speciella simulering matchar nära mönster av så kallade slow-slip-händelser som observerats i Nya Zeeland och Japan – ett tecken på att de underliggande processerna och de matematiska relationerna inbyggda i algoritmen är i mål. Under tiden, simuleringar med tätning som drog ut på tiden över år fick låsdjupet att öka när tryckpulserna klättrade uppåt.

Förändringar i låsningsdjupet kan uppskattas från GPS-mätningar av deformationen av jordens yta. Ändå är tekniken inte en jordbävningsprediktor, sa Dunham. Det skulle kräva mer fullständig kunskap om de processer som påverkar felglidning, samt information om det specifika felets geometri, påfrestning, bergets sammansättning och vätsketryck, han förklarade, "på en detaljnivå som helt enkelt är omöjlig, med tanke på att det mesta av händelserna sker många mil under jorden."

Snarare, modellen erbjuder ett sätt att förstå processer:hur förändringar i vätsketrycket får fel att glida; hur glidning och glidning av en förkastning bryter upp berget och gör det mer genomsläppligt; och hur den ökade porositeten tillåter vätskor att flöda lättare.

I framtiden, denna förståelse skulle kunna hjälpa till att informera om riskbedömningar relaterade till att injicera vätskor i jorden. Enligt Dunham, "Lektionerna som vi lär oss om hur vätskeflödeskopplingar med friktionsglidning är tillämpliga på naturligt förekommande jordbävningar såväl som inducerade jordbävningar som händer i olje- och gasreservoarer."