På morgonen den 4 juli, 2019, en serie mycket små jordbävningar började mullra i Mojaveöknen, inte långt från staden Ridgecrest i södra Kalifornien.

Ingen visste vid den tiden att det var förskott som snart skulle följas av två av de största jordbävningarna som drabbat Kalifornien på mer än 20 år. En jordbävning med magnituden 6,4 rasade regionen den 4 juli, slänga flaskor från butikshyllorna, krossa fönster och vattenledningar, spräcka en motorväg och föranleda evakueringar.

Två dagar och hundratals små skalv senare, en jordbävning med magnituden 7,1 (nästan 11 gånger kraftigare) som drabbade ett annat förkastning i samma område, lämnar efter sig bränder, läckande vatten- och gasledningar, och spruckna byggnader och vägar och tvingade fram evakueringen av en marin vapenanläggning större än Rhode Island.

U.S. Geological Survey rapporterar att ungefär hälften av de största jordbävningarna i Kalifornien har föregåtts av förskott. Över hela världen, det finns ungefär 6 procents chans att en viss jordbävning kommer att visa sig vara en förskalv följt av ett större skalv inom tre dagar, även om den sannolikheten minskar när tiden från den första händelsen ökar.

Men förskott känns bara igen i efterhand. "En förskalv är helt enkelt en jordbävning följt av en större jordbävning - huvudschocken, " förklarade Paul Segall, professor i geofysik vid Stanford University's School of Earth, Energi- och miljövetenskaper (Stanford Earth). Vanligtvis, för att en föregående jordbävning ska betraktas som ett förskott, Seismologer letar också efter att epicentret ska vara i samma allmänna område som storchocken - på ett avstånd som inte är mer än några gånger längden på den förkastningssektion som rörde sig under storchocken.

Eftersom förskott föregår större skalv, blir allt vanligare när storchocken närmar sig, de har länge presenterat den lockande utsikten att varna för potentiellt skadliga jordbävningar. "Om vi ​​på något sätt kunde fastställa att en given skalv var en förskalv innan storskalven anländer, som kan vara mycket användbart, sa Segall.

Förskott uppstår från grova förkastningar

Forskare i decennier har försökt förstå de fysiska processer som driver fram förskott, och varför vissa jordbävningssekvenser har dem medan andra inte har det. En ledande teori föreslår att förskott är resultatet av en acceleration av glidrörelser längs ett förkastning. Denna rörelse, känd som aseismisk glidning, utlöser små jordbävningar då den sträcker sig över allt större områden av förkastningen och ökar hastigheten.

"Den alternativa idén är en kaskad av små jordbävningar utan aseismisk glidning, sade Segall, vem är Cecil H. och Ida M. Green Professor i geofysik. "Jordbävningar omfördelar stress inom jorden. I områden där stressen ökar, det kan utlösa andra skalv. Denna växande kaskad utlöser så småningom en händelse som växer till huvudchocken."

Ny forskning av Segall och seismolog Camilla Cattania i Journal of Geophysical Research:Solid Earth antyder att förskott i själva verket drivs av feedback mellan de två. "Vi fann att båda mekanismerna - aseismisk glidning och spänningsomfördelning av små jordbävningar - är på spel under förchockssekvenser, och de förstärker varandra. En komplex felgeometri tillåter samtidig aseismisk glidning och förskott, sa Cattania, en biträdande professor vid MIT:s Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences som arbetade med forskningen som forskare vid Stanford.

Liksom många naturliga system, fel är fraktala, vilket betyder att de är oregelbundna på alla skalor. "När de två sidorna av ett grovt fel glider förbi varandra, vissa delar av felsidorna är sammanpressade, bildar fastnade fläckar, " förklarade Cattania. "Förskott representerar bristningen av dessa fastnade fläckar." Dessa bristningar ökar sedan stressen i omgivande områden, gradvis "lösgör" felet och orsakar att aseismisk glidning accelererar. "Snabbare aseismisk glidning, i tur och ordning, stressar närliggande seismiska fläckar och utlöser fler förskott. Denna positiva återkoppling orsakar en utvidgning av halkaområdet och allt oftare föregångare, leder fram till storchocken, " Hon sa.

Enligt Cattania, detta betyder att feljämnhet därför är den underliggande orsaken till återkopplingen mellan förchocker och aseismisk glidning. Hon sa, "Eftersom alla fel är grova, seismisk och aseismisk glidning kommer sannolikt att samexistera under de flesta förchockssekvenser. De klassiska mekanismer som föreslagits för förschock – antingen drivna av aseismisk glidning eller en helt seismisk kaskad – fångar var och en del av processen, men de utesluter inte varandra."

Simulering av jordbävningssekvenser

Bevis för idén om förskott som är ett resultat av en kombination av accelererande aseismisk glidning och kaskader av små jordbävningar kommer från datormodellering. Cattania och Segall satte upp numeriska simuleringar av seismiska cykler på grova förkastningar, med geometri som överensstämmer med data från fältet och laboratoriet.

Teamets simuleringar visade att prognoser accelererade fram till storchocken, överensstämmer med mönstren som ses i medelvärden av data från verkliga förskott – ett bevis på modellens noggrannhet. I framtiden, det är möjligt att modellens förutsägelser skulle kunna användas för att få nya insikter om foreshock-sekvenser från befintliga datauppsättningar och avslöja tidigare missade eller feltolkade fall av aseismisk glidning. "Våra resultat ger en fysisk tolkning för förskott, ", sa Cattania. "Men mycket arbete återstår att göra innan denna kunskap kan omsättas till prognoser."