Ibland knappt märkbar, och vid andra tillfällen förödande, jordbävningar är ett stort geologiskt fenomen som ger en skarp påminnelse om att vår planet ständigt utvecklas. Forskare har gjort betydande framsteg i att förstå dessa händelser under de senaste 50 åren tack vare sensorer som har satts upp runt om i världen. Och medan vi vet att jordbävningar orsakas av förskjutningar i tektoniska plattor, mycket återstår att lära sig om hur och varför de uppstår.

Passelègue, en forskare vid ENAC:s Laboratory of Experimental Rock Mechanics (LEMR), har studerat dynamiken i fel - eller områdena mellan tektoniska plattor, där de flesta jordbävningar inträffar – de senaste tio åren. Han gjorde nyligen ett genombrott för att förstå de brottmekanismer som så småningom leder till seismiska förskjutningar längs förkastningslinjer. Hans resultat publicerades i den prestigefyllda Naturkommunikation den 12 oktober 2020.

"Vi vet att brotthastigheter kan variera från några millimeter per sekund till några kilometer per sekund när kärnbildning inträffar [processen genom vilken en glidning expanderar exponentiellt]. Men vi vet inte varför vissa bristningar fortplantar sig mycket långsamt och andra rör sig snabbt , " säger Passelègue. "Men, det är viktigt att veta eftersom ju snabbare utbredning, desto snabbare frigörs energin som ackumuleras längs förkastningen."

En jordbävning kommer i allmänhet att frigöra samma mängd energi oavsett om den rör sig långsamt eller snabbt. Skillnaden är att om den rör sig långsamt, dess seismiska vågor kan absorberas av den omgivande jorden. Dessa typer av långsamma jordbävningar är lika frekventa som vanliga; det är bara det att vi inte kan känna dem. I extremt snabba jordbävningar – som inträffar mycket mindre ofta – frigörs energin på bara några sekunder genom potentiellt förödande högfrekventa vågor. Det är det som ibland händer i Italien, till exempel. Landet ligger i en friktionszon mellan två tektoniska plattor. Medan de flesta av dess jordbävningar inte är (eller knappt) märkbara, några av dem kan vara dödliga – som den 2 augusti 2016 som gjorde att 298 människor dog.

I hans studie, Passelègue utvecklade ett experimentfel med samma temperatur- och tryckförhållanden som ett verkligt fel på 8 km djup. Han installerade sensorer längs felet för att identifiera faktorerna som orsakar långsam kontra snabb sprängning. "Det finns massor av hypoteser där ute - de flesta forskare tror att det är relaterat till typen av sten. De tror att kalksten och lera tenderar att resultera i långsam förökning, medan hårdare stenar som granit bidrar till snabb förökning, "säger han. Passelègues modell använder en komplex sten som liknar granit. Han kunde replikera olika typer av halk på sin testanordning, och fann att "skillnaden inte nödvändigtvis beror på egenskaperna hos det omgivande berget. Ett enda fel kan visa alla typer av seismiska mekanismer."

Passelègues experiment visade att mängden energi som frigörs under en halka, och hur lång tid det släpps, beror på den initiala belastningen som utövas längs förkastningen; det är, kraften som appliceras på förkastningslinjen, i allmänhet från skiftande tektoniska plattor. Genom att applicera krafter av olika storlek på sin modell, han fann att högre påfrestningar utlöste snabbare sprickor och lägre påfrestningar utlöste långsammare sprickor. "Vi tror att det vi observerade i labbet skulle gälla även under verkliga förhållanden, " han säger.

Med hjälp av resultaten av hans modell, Passelègue utvecklade ekvationer som tar hänsyn till den initiala belastningen på ett fel och inte bara mängden energi som ackumulerats omedelbart före ett glid, vilket var det tillvägagångssätt som använts i andra ekvationer fram till nu. "François är en av de första forskarna som mäter brotthastigheter i bergarter under samma temperatur- och tryckförhållanden som du hittar i naturen. Han utvecklade ett sätt att modellera mekanismerna fysiskt - något som aldrig hade gjorts tidigare. Och han visade att alla jordbävningar följer samma fysiklagar, säger Marie Violay, chef för LEMR.

Passelègue varnar för att hans modell inte kan användas för att avgöra när eller var en jordbävning kommer att inträffa. Eftersom felen är för djupa, forskare kan fortfarande inte kontinuerligt mäta belastningen på sten längs ett förkastning. "Vi kan identifiera hur mycket belastning det behöver vara för att orsaka en bristning, men eftersom vi inte vet hur mycket ett fel är "laddat upp" med energi djupt under jorden, vi kan inte förutsäga brotthastigheten."

En implikation av Passelègues forskning är att jordbävningar kanske inte är så slumpmässiga som vi trodde. "De flesta tror att fel som har varit stabila under en lång tid aldrig kommer att orsaka en allvarlig jordbävning. Men vi fann att alla typer av fel kan utlösa många olika typer av seismiska händelser. Det betyder att ett till synes godartat fel plötsligt kan brista, vilket resulterar i en snabb och farlig vågutbredning."