10 دقیقه
گرما نسبت به لرزش در زمین‌لرزه‌های کوچک غلبه دارد
آزمایشهای آزمایشگاهی در مؤسسه فناوری ماساچوست نشان میدهد که بیشتر انرژی آزادشده در لغزش‌های شبیه به زمین‌لرزه به جای حرکت گسترده زمین، به گرما تبدیل میشود. با استفاده از آزمایشهای کنترل‌شده شکستگی میکروسکوپی روی گرانیت خردشده، پژوهشگران بودجه انرژی کامل لغزش‌های ناگهانی کوچک را اندازهگیری کردند. نتایج آنها نشان میدهد که تقریباً ۸۰٪ از انرژی آزادشده به عنوان حرارت اصطکاکی نزدیک صفحه لغزش ذخیره میشود، حدود ۱۰٪ به ارتعاشات لرزهای مشابه تکان‌های زمینی تبدیل میشود و کمتر از ۱٪ صرف ایجاد سطح جدید سنگ از راه خردشدن و ریزش می‌گردد.
نسبت‌های فوق ثابت نیستند: تاریخچه تغییرشکل قبلی مواد مورد آزمایش بهطور چشمگیری روی نحوه تقسیمبندی انرژی تأثیر می‌گذارد. سنگ‌هایی که قبلاً دچار تغییرشکل شده‌اند می‌توانند رفتار متفاوتی نشان دهند — انرژی را بیشتر یا کمتر به صورت گرما، حرکت یا شکست صرف کنند. این آزمایشها دماهای گذرا بسیار بالا، ذوب اصطکاکی کوتاه‌مدت و سرعت‌های لغزش سریع را بازتولید میکنند که فرآیندهای فیزیکی استنباط‌شده برای زلزلههای طبیعی را آینه میکنند و محدودیتهای جدیدی برای فهم چگونگی تکامل گسل‌ها و ارزیابی خطر لرزهای فراهم می‌آورند.
اندازهگیری انرژی زمین‌لرزه در آزمایشگاه
مشاهده و کمّی‌سازی مستقیم نحوه تخصیص انرژی در یک زمین‌لرزه واقعی بین امواج لرزهای، گرما و آسیب سنگ تقریباً در محل وقوع غیرممکن است. برای غلبه بر این محدودیت، تیم MIT آزمایشهای تکرارشونده‌ای طراحی کرد که فیزیک مکانیکی و حرارتی لغزش‌های لرزهای را در مقیاسی کنترل‌شده شبیه‌سازی میکند. نمونه‌ها به‌گونه‌ای آماده شدند که مواد ناحیه گسل ریزدانه را تقلید کنند؛ موادی که در لایه‌های زلزله‌زا پوسته قاره‌ای یافت می‌شوند و بیشتر زلزلههای کره‌ای در عمق تقریباً ۱۰ تا ۲۰ کیلومتری رخ میدهند.
پروتکل آزمایش ترکیبی از چند تکنیک تخصصی بود تا جنبه‌های مکمل هر رویداد میکرو را ثبت کند. پژوهشگران گرانیت را تا تبدیل‌شدن به پودر خرد کردند و آن را با پودر بسیار ریزتری که شامل ذرات مغناطیسی بود مخلوط نمودند. این شمول‌های مغناطیسی مثل یک ثبتکننده دمای داخلی عمل میکنند زیرا مغناطش آنها هنگام قرار گرفتن در معرض دمای بالا تغییر میکند. هر نمونه پودری، که تنها حدود ۱۰ میلی‌متر مربع مساحت و ۱ میلی‌متر ضخامت داشت، داخل یک پوشش طلایی قرار گرفت و بین دو پیستون گذاشته شد تا تحت تنش‌هایی مشابه ناحیه زلزله‌زا فشرده شود.
برای ثبت حرکت‌های دینامیک در طول لغزش، تیم سنسورهای پیزوالکتریک سفارشی را به دو انتهای مجموعه نمونه متصل کرد. این سنسورها پالس‌های کوتاه‌مدتی را اندازه میگیرند که نمایانگر شتاب و جابه‌جایی شبه-لرزهای در مقیاس نمونه هستند. پس از یک رویداد شکست کنترل‌شده، دانشمندان سیگنال ذرات مغناطیسی را رمزگشایی کردند تا دمای اوج را تخمین بزنند، نمونه را با میکروسکوپ الکترونی روبشی برای مستندسازی شکست دانه‌ها و تشکیل شیشه بررسی نمودند و داده‌های سنسورها را با مدلهای عددی ترکیب کردند تا تقسیم انرژی بین گرما، لرزش و ریزش سنگ استنتاج شود.
چرا ذرات مغناطیسی و روکشی از جنس طلا؟
پودر مغناطیسی نوعی ضبط‌کننده ترمومغناطیسی است: گرم‌شدن و سردشدن همراه با لغزش سریع، مغناطش ذرات را تغییر میدهد و این تغییر را میتوان پس از آزمایش اندازهگیری کرد. پوشش طلا یک مهر شیمیایی غیرفعال و هدایت‌کننده فراهم می‌آورد که هندسه نمونه را حفظ کرده و از اکسیداسیون در گذراهای دمایی بالا جلوگیری میکند. این رویکرد یکپارچه به پژوهشگران اجازه میدهد دمای اوج‌هایی را بازسازی کنند که تنها برای میکروثانیه‌ها دوام داشتند و این نوسانات حرارتی را با اندازه‌گیری‌های مکانیکی لغزش و کاهش تنش مرتبط کنند.
یافته‌های کلیدی: گرمایش اصطکاکی، ذوب و لغزش سریع
در ده‌ها آزمایش میکرو-گسیختگی، مخزن غالب انرژی، گرمایش اصطکاکی نزدیک سطح لغزش بود. بهطور میانگین، حدود ۸۰٪ از انرژی مکانیکی آزادشده به صورت گرما در ناحیه لغزش مستقر می‌شد. حرکت شبه-لرزهای تقریباً ۱۰٪ از بودجه انرژی را شامل می‌شد، در حالی که انرژی لازم برای شکستن دانه‌ها و ایجاد سطح جدید معمولاً بسیار کم و معمولاً کمتر از ۱٪ کل بود.
در برخی آزمایشها، گرمایش شدید و ناگهانی بود. تیم افزایش دمای گذرایی را از دمای محیط تا تقریباً ۱۲۰۰ درجه سلسیوس در طول میکروثانیه‌ها اندازهگیری کرد، که برای ذوب جزئی یا کامل ماده گسل کافی بود. وقتی ماده مذاب سریعاً مجدداً جامد شد، یک لایه شیشه‌ای و صیقلی تشکیل داد که بسیار شبیه محصولات ذوب اصطکاکی مشاهده‌شده در گسل‌های طبیعی است. در یک مورد نماینده، پژوهشگران لغزشی نزدیک به ۱۰۰ میکرون را دیدند که با توجه به مدت زمان بسیار کوتاه رخداد، سرعت لغزش محلی در حدود ۱۰ متر بر ثانیه را نشان میدهد — سرعتی بالا اما محدود از نظر زمانی و مکانی.
این مشاهدات فیزیک مقیاس آزمایشگاهی را به شواهد میدانی پیوند میدهند: بافت‌های شیشه‌ای و رگه‌های ذوب گاهی در گسل‌های بیرون‌آورده دیده می‌شوند که بهطور رایج به عنوان «پسودوتاشیلیت» (pseudotachylytes) شناخته می‌شوند و با ذوب اصطکاکی طی لغزش‌های لرزهای سازگارند. بنابراین این آزمایشها شکاف میان میکروفیزیک و نشانههای زمین‌شناختی زلزلههای گذشته را پر میکنند و به ما کمک میکنند تا چگونه حرارت شدید موضعی ممکن است ساختار گسل را دگرگون کند را بهتر بفهمیم.
پیامدها برای ارزیابی خطر لرزهای و مدلهای زلزله
اگر تقسیمبندی انرژی مشابه در طبیعت رخ دهد، گسل‌ها ممکن است بخش بسیار بیشتری از انرژی مکانیکی خود را به‌صورت گرمایش موضعی و آسیب ساختاری جذب کنند تا به صورت تابش لرزهای دوربرد. این بدان معناست که کسری از انرژی که به عنوان لرزش مضر منتشر میشود ممکن است تنها بخش کوچکی از کل آزادشدگی باشد. فهم این نسبت برای برآورد میزان تکان‌های احتمالی که یک گسیختگی خاص میتواند ایجاد کند و همچنین چگونگی تغییر ناحیه گسل پس از لغزش برای رویدادهای آتی، اهمیت زیادی دارد.
آزمایشها همچنین اهمیت تاریخچه تغییرشکل را برجسته میکنند. سنگ‌هایی که قبلاً برشی، گرمایش یا شکستگی را تجربه کرده‌اند بافت‌ها و مجموعه‌های معدنی‌ای توسعه میدهند که باعث تغییر در مقاومت اصطکاکی، نفوذپذیری و نحوه اتلاف انرژی در لغزش‌های بعدی میشود. بهطور عملی، این نکته نشان میدهد که مدلهای خطر لرزهای باید بلوغ ناحیه گسل و تاریخچه لغزش قبلی را مد نظر قرار دهند، نه تنها سطوح تنش فعلی — موضوعی که میتواند بر پیش‌بینی میزان لرزش و توزیع خسارت اثر بگذارد.
از دیدگاه رصدی، روش‌های ترمومتری آزمایشگاهی ممکن است راهی برای استنباط بودجه‌های انرژی گذشته در گسل‌های طبیعی فراهم کنند. برای نمونه، جایی که پسودوتاشیلیت‌ها یا الگوهای شیشه‌ای حفظ شده‌اند، حضور و میکروساختار آنها میتواند حوادث گذشته لغزش‌های شدید و متمرکز حرارتی را ثبت کرده باشد. ترکیب مشاهدات میدانی با روابط کالیبره‌شده آزمایشگاهی بین گرمایش، لغزش و انرژی تابیده‌شده میتواند بازسازی‌های دقیق‌تری از زلزلههای باستانی فراهم کند و در بهبود پیشبینیهای احتمالاتی مفید باشد.
محدودیت‌ها و چشم‌انداز مقیاس‌بندی به زلزلههای طبیعی
زلزلههای آزمایشگاهی به‌صورت عمدی ساده‌سازی شده‌اند: آنها فرایندهای فیزیکی کلیدی را در مقیاسی جدا میکنند که در آن اندازه‌گیری‌ها می‌توانند دقیق و تکرارشونده باشند. اما زمین بسیار بزرگتر و ناهمگن‌تر است، بنابراین مقیاس‌بندی مستقیم باید با احتیاط انجام شود. عواملی مانند فشار سیال منفذی، هندسه سهبعدی گسل، گرادیانهای تنش در مقیاس کیلومتری و فرآیندهای گسیختگی دینامیک با مدت طولانی‌تر بهطور کامل در آزمایشهای میکروسکوپی بازتولید نمیشوند.
با این حال، رویکرد اندازهگیری یکپارچه‌ای که توسط تیم هدایت‌شده MIT استفاده شد — ترکیب ضبط ترمومغناطیسی، سنجش دینامیک پهن‌باند، میکروسکوپ و مدل‌سازی — یکی از کامل‌ترین دیدهای تجربی فیزیک گسیختگی شبیه به زلزله تا به امروز فراهم می‌آورد. این مطالعات کنترل‌شده به پارامتردهی و اعتبارسنجی مدلهای عددی گسیختگی کمک میکنند و محدودیتهای فیزیکی برای چگونگی تعامل گرما، شکست و تابش در طول لغزش ارائه میدهند.
دیدگاه کارشناسی
دکتر لورا هَمِند (نمونه‌ای از یک زمین‌فیزیک‌دان و مروج علمی با تجربه در مکانیک گسل) می‌گوید: «این آزمایشها نشان میدهد که فرآیندهای سطح لغزش بهطور محلی بسیار شدید و انرژی‌بر هستند. اگر بخش عمدهای از انرژی به صورت گرما تلف شود، تکامل مقاومت گسل و تغییرات حرارتی ممکن است برای دنباله‌های زلزله‌ای از آنچه تاکنون فرض می‌کردیم اهمیت بیشتری داشته باشند. وارد کردن تقسیمبندی انرژی استخراجشده از آزمایشها به شبیه‌سازی‌های گسیختگی میتواند پیشبینیهای حرکت زمین را به‌ویژه برای گسل‌هایی که سابقه لغزش مکرر دارند، تغییر دهد.»
نتیجه‌گیری
برنامه آزمایشگاهی MIT نشان میدهد که بیشتر انرژی مکانیکی آزادشده طی لغزش‌های شبه-زلزله‌ای به گرمایش اصطکاکی نزدیک گسل تبدیل میشود، در حالی که تنها بخش اندکی به امواج لرزهای تابش می‌یابد و مقدار بسیار کمی صرف ایجاد سطح جدید می‌گردد. گرمایش سریع در مقیاس میکروثانیه میتواند ذوب گذرا به‌وجود آورد و بافت‌های شیشه‌ای تولید کند که با پسودوتاشیلیت‌های طبیعی مطابقت دارند. اگرچه مقیاس‌بندی به زلزلههای طبیعی در گستره کیلومتری مستلزم در نظر گرفتن پیچیدگی‌های اضافی است، این نتایج محدودیتهای فیزیکی اساسی برای فیزیک گسیختگی، تکامل ناحیه گسل و مدل‌سازی خطر لرزهای فراهم می‌آورد. ادامه یکپارچه‌سازی ترمومتری آزمایشگاهی، سنسورهای پرسرعت، مشاهدات میدانی و مدلهای عددی به بهبود توانایی ما در استنباط رفتار گذشته گسل و پیش‌بینی جنبه‌هایی از خطرهای لرزهای آینده کمک خواهد کرد.
یادداشت پژوهشی: این مطالعه به رهبری Matěj Peč و Daniel Ortega-Arroyo انجام شد و در AGU Advances گزارش شد. همکاران شامل Hoagy O’Ghaffari، Camilla Cattania، Zheng Gong، Roger Fu، Markus Ohl و Oliver Plümper بودند که نماینده دانشگاه‌های MIT، هاروارد و اوترخت هستند.
منبع: scitechdaily
نظرات