10 دقیقه
در ژوئیهٔ ۲۰۲۴ زلزلهای قدرتمند با مرکزیتی زیر شهر کالاما در شمال شیلی دیدگاههای دیرینه دربارهٔ رفتار زلزلههای عمیق را به چالش کشید. پژوهشی تازه به سرپرستی دانشمندانی از دانشگاه تگزاس در آستین نشان میدهد که یک زنجیرهٔ پنهان از فرایندها درون صفحهٔ فرورانش باعث شد تا لرزش سطحی بهطور قابلتوجهی تقویت شود. این یافتهها نحوهٔ تفکر زمینلرزهشناسان دربارهٔ رویدادهای عمق متوسط را تغییر میدهد و میتواند به بازنگری ارزیابیهای مخاطرات در نواحی فرورانش در سراسر جهان بينجامد.
دانشمندانی که زلزلهٔ غیرمعمول کالاما ۲۰۲۴ را بررسی کردند، فرایندی نهفته در دل صفحهٔ فرورانش را آشکار ساختند که به گسیختگی امکان داد بسیار فراتر از انتظار برای آن عمق تشدید شود. نتایج این تحقیق به نیروهای مکانیکی و حرارتی کمتر شناختهشدهای اشاره دارد که ممکن است شیوهٔ ارزیابی خطرهای لرزهای آینده در مناطق فرورانش را دگرگون کند. این پژوهش نشان میدهد بررسیهای ریزساختاری صفحه و تعاملهای فیزیکی عمقدار برای تحلیل دقیق خطر زلزله اهمیت فزایندهای دارند.
گسیختگیای که قواعد را شکست
بیشتر زلزلههای ویرانگر — مانند مگاترست ۹.۵ ریشتری سال ۱۹۶۰ در سواحل مرکزی شیلی — در نزدیکی بالای گسلههای مگاترست فرورانش و در عمقهای نسبتاً کم آغاز میشوند. اما رویداد کالاما در حدود ۱۲۵ کیلومتر زیر سطح و درون صفحهٔ تکتونیکی فرورانش آغاز شد. زلزلههای عمق متوسط در این نواحی معمولاً لرزش سطحی ضعیفتری نسبت به گسیختگیهای کمعمق ایجاد میکنند؛ با این حال زلزلهٔ کالاما با بزرگی ۷.۴ این الگو را دنبال نکرد و شدت سطحی بالاتری نشان داد.
نویسندهٔ اصلی پژوهش، Zhe Jia، و همکارانش با تحلیل شکلموجهای لرزهای، مشاهدات جابجایی زمینی استخراجشده از سامانههای GNSS، و مدلهای محاسباتی، توانستند بازسازی گسیختگی را با جزئیاتی بیسابقه انجام دهند. بهجای یک شکست سادهٔ واحد که توسط یک مکانیزم منفرد هدایت میشود، توالی گسیختگی در کالاما نشان میدهد که مکانیزم شکست در میانهٔ گسیختگی تغییر کرده است — از شکل کلاسیک تردشدگی ناشی از دهیدراسیون (dehydration embrittlement) به یک رژیم غالبِ گرمایی و اصطکاکی که با عنوان «فرار حرارتی» (thermal runaway) شناخته میشود.
این تحول مکانیزمی اهمیت بالایی دارد چون نشان میدهد یک گسیختگی عمق متوسط میتواند با ترکیبی از فرآیندهای شیمیایی-ترکیبی و گرمایی-اصطکاکی، نیرو و نرخ لغزش را چند برابر کند و نتیجتاً شدت لرزش سطحی را افزایش دهد. این نتیجه نسبت به سناریوهای سنتی که عمق را بهعنوان معیاری کلی برای کاهش خطر در نظر میگیرند، پیامدهای عملی مهمی دارد.
دو مکانیزم، یک زلزلهٔ قدرتمند
تردشدگی ناشی از دهیدراسیون یکی از توضیحات پذیرفتهشده برای بسیاری از زلزلههای عمق متوسط است. با فرورفتن صفحه به داخل گوشته، فشار و دما آب محصور در کانیهای هیدراته را بیرون میرانند. آب آزادشده فشار منفذی را افزایش میدهد و سنگ را تضعیف میکند؛ در نتیجه شکست تردانه حتی در فشارهای بالا تسهیل میشود. این فرایند معمولاً در جایی متوقف میشود که دماها به حدود ~650°C یا بالاتر برسد، چرا که در این دماها ساختارهای کانیایی تغییر کرده و منابع آب ساختاری کاهش مییابد.
آنچه کالاما را متمایز کرد این بود که گسیختگی در حدِ انتظارِ محدودیتهای حرارتی متوقف نشد. در عوض، گسیختگی حدوداً ۵۰ کیلومتر دیگر به نواحی گرمتر نفوذ کرد که در آنها دهیدراسیون فلجکننده نباید دیگر عمل میکرد. تیم دانشگاه تگزاس گزارش میدهد که گسیختگیِ اولیه در نوک ترک گرمایش اصطکاکی شدیدی تولید کرد؛ گرمای موضعی دما را افزایش داده و مقاومت سنگ را کاهش داد و شرایط را برای وقوع «فرار حرارتی» فراهم ساخت: یک بازخورد مثبت که در آن لغزش گرما تولید میکند، گرما سنگ را ضعیفتر میکند، و تضعیف اجازهٔ لغزش سریعتر و تولید گرمای بیشتر را میدهد.
به عبارت دیگر، ترکیب اولیهٔ دهیدراسیون که شکست ترد را آغاز کرد، با افزایش سریع دما در نوک گسیختگی به فرایند غالبِ گرمایی منتقل شد؛ این انتقال همان چیزی است که میتواند یک زلزلهٔ عمق متوسط را به یک رویداد سطحی-تاثیرگذار تبدیل کند. شناخت این گذار مکانیزمی برای مدلسازیهای خطر و پیشبینیهای لرزهای اهمیت دارد، زیرا منابع مختلف انرژی و بازخوردهای فیزیکی در عمق، خروجی سطحی را تغییر میدهند.
شکلِ ارائهشده در مطالعه دو مکانیزم گسیختگی را نشان میدهد: دهیدراسیون (dehydration embrittlement) و فرار حرارتی (thermal runaway)، و چگونگی افزایش توان زلزلهٔ کالاما توسط این دو فرآیند. Credit: Jia et al.
چگونه دانشمندان داستان را سرهمبندی کردند
بازسازی یک گسیختگی عمیق نیازمند تلفیق دادههای گوناگون است. تیم پژوهشی رکوردهای لرزهای با وضوح بالا از شبکههای لرزهنگاری داخلی شیلی و شبکههای بینالمللی را برای دنبال کردن سرعت و جهت گسترش گسیختگی ترکیب کردند. آنها از دادههای سامانهٔ موقعیتیابی جهانی (GNSS) برای اندازهگیری لغزش گسل و تغییرشکل پوستهٔ زمین ناشی از رویداد استفاده کردند. در نهایت، شبیهسازیهای فیزیکمحورِ Coupled (موازی-مربوط) به تیم اجازه داد تا دما، ترکیب کانیشناسی و گرمایش اصطکاکی در سطح گسل در عمق را برآورد کنند.
تیمی از دانشگاه تگزاس در آستین و دانشگاه شیلی در سال ۲۰۲۴ در حال سرویسدهی به یک شتابنگار UTIG نزدیک کالاما، شمال شیلی. دانشجوی تحصیلات تکمیلی UT، Sabrina Reichert، در پسزمینه دیده میشود. پژوهشگر دانشگاه شیلی، Santiago، Bertrand J. M. Potin، در پیشزمینه است. Credit: Thorsten Becker/UT Austin
این رویکرد یکپارچه نشان داد که گسیختگی هنگام عبور از بخش گرمتر صفحه شتاب گرفت و بهطور غیرمعمولی سریع حرکت کرد — چیزی که با انتقال از شکست ناشی از دهیدراسیون به تضعیفِ حرارتی-اصطکاکی سازگار است. نتیجهٔ این گذار، لرزش سطحی بسیار قویتری نسبت به آنچه از یک زلزله در آن عمق میانتظَر میرود، بود. بنابراین تحلیل صرفاً مبتنی بر عمق یا مکان شروع گسیختگی برای تخمین آسیبپذیری کافی نیست؛ بلکه نیاز به مدلهایی داریم که فرایندهای تبدیل مکانیزمها را هم بگنجانند.
چرا این کشف برای ارزیابی خطر لرزهای اهمیت دارد
پیامد مطالعات روشن است: زلزلههای عمق متوسط همیشه کماثر نیستند. زمانی که یک گسیختگی بتواند وارد فرار حرارتی شود، توانایی آن برای تولید لرزش شدید افزایش مییابد. برای شیلی — یکی از فعالترین کشورهای لرزهای جهان — این بدان معناست که مدلهای خطر و برنامهریزی اضطراری باید نه تنها محل آغاز زلزله، بلکه چگونگی تکامل فرایندهای گسیختگی در عمق را نیز مد نظر قرار دهند.
«این رویدادهای شیلیایی لرزش بیشتری نسبت به حد معمولِ انتظار از زلزلههای عمق متوسط ایجاد میکنند و میتوانند تا حد قابلتوجهی مخرب باشند»، Jia در متن انتشار گفته است. او و همکارش Thorsten Becker بر ارزش کاربردی کار تأکید کردند: مدلهای گسیختگی بهبودیافته میتوانند استقامت زیرساختها، کالیبراسیون سیستمهای هشدار زودهنگام، و اولویتبندیهای واکنش سریع را تحت تاثیر قرار دهند.
در سطح عملی، وارد کردن این دینامیکها در سناریوهای خطر به معنای بازنگری کدهای ساختمانی، طراحی زیرساختها و برنامههای امداد است؛ بهویژه در نواحیای که صفحات فرورانشِ حامل کانیهای هیدراته و شیبهای حرارتی تند دارند. بعلاوه، این نتایج نشان میدهد که شبکهٔ پایش باید متراکمتر و با حسگرهایی طراحی شود که بتوانند نشانههای گذار مکانیزمی را در عمق ثبت کنند.
دیدگاه کارشناسان
«مورد کالاما نشان میدهد که چگونه زمین عمیق میتواند پویا و غیرقابلپیشبینی باشد،» دکتر Elena Márquez، لرزهنگار در مؤسسهٔ علوم زمین آند جنوبی، میگوید. «ما اغلب عمق را بهعنوان یک معیار کلی برای خطر در نظر میگیریم، اما مکانیزم اهمیت دارد. اگر گسیختگی بتواند خود را گرم کند و وارد فرار حرارتی شود، اثرات مخاطرهآمیز آن تغییر میکند. این پژوهش نشانههایی قابلآزمایش برای جستجو در سایر مناطق فرورانش به ما میدهد.»
نظر کارشناس نشان میدهد که شناسایی امضاهای لرزهای و ژئوفیزیکیِ گذار از دهیدراسیون به فرار حرارتی — مانند تغییر در سرعت پیشروی گسیختگی، افزایش ناگهانی تولید گرما در مدلهای اصطکاکی، و الگوهای غیرمعمول جابجایی GNSS — میتواند در سایر فرورانشها نیز مورد پیگیری قرار گیرد تا احتمال وقوع رویدادهای مشابه ارزیابی شود.
پیامدهای گستردهتر و گامهای بعدی
این مطالعهٔ جدید سؤالاتی را مطرح میکند که پژوهشگران در پیگرفتن آنها خواهند بود. گذارهای مکانیزمی مانند آنچه در کالاما است چقدر رایجاند؟ کدام ترکیبهای صفحهای، پروفیلهای حرارتی یا حالات تنش، احتمال وقوع فرار حرارتی را افزایش میدهند؟ پاسخدادن به این پرسشها به پایش لرزهای و GNSS متراکمتر، اندازهگیریهای آزمایشگاهی اصطکاک سنگ در شرایط فشار-دما بالا، و بهبود شبیهسازیهای ترمومکانیکی گسیختگی نیاز دارد.
از منظر سیاستگذاران و مهندسان، نکتهٔ کلیدی این است که ارزیابیهای مخاطرات لرزهای باید دامنهٔ وسیعتری از فیزیک گسیختگی را در بر بگیرند. بهصورت عملی، این امر به معنای بازنگری مقررات ساختمانی و برنامههای اضطراری در مناطقی است که احتمال وقوع زلزلههای عمق متوسط وجود دارد؛ و نیز گسترش نظارت در نواحیای که صفحات فرورانش حامل کانیهای آبدار و گرادیانهای حرارتی تند هستند.
تصور کنید نقشهٔ لرزهای آیندهای که نه تنها نقاط شروع زلزله را نشان میدهد، بلکه نواحیای را نیز مشخص میکند که در آنها گسیختگی ممکن است به حالتهای مخاطرهآمیزتر تکامل یابد. زلزلهٔ کالاما یادآور این نکته است که فرایندهای اعماق زمین میتوانند ما را شگفتزده کنند و بهترین دفاع، دانش بهتر و آمادگی بیشتر است.
چند نکتهٔ فنی برای پژوهشگران و مدیران مخاطرات:
• تقویت شبکههای لرزهنگاری و GNSS برای ثبت دقیقتر سرعت و الگوهای گسترش گسیختگی؛
• اجرای آزمایشهای اصطکاک و ترموفیزیکی روی نمونههای سنگی تحت فشار-دماهای مشابه عمق متوسط برای تعیین شرایط آستانهٔ فرار حرارتی؛
• توسعهٔ مدلهای چندفازی که دهیدراسیون، انتقال گرمایی و پاسخ اصطکاکی را بهصورت همزمان شبیهسازی میکنند؛
• بهکارگیری نتایج در طراحی مقاومسازی زیرساختها و بهروزرسانی نقشههای مخاطره و دستورالعملهای هشدار و واکنش اضطراری.
در نهایت، ادغام مشاهدات میدانی، شبیهسازیهای پیشرفته و آزمایشهای آزمایشگاهی میتواند چارچوبی قوی برای درک بهتر زلزلههای عمق متوسط و کاهش خطرات مرتبط فراهم کند. مطالعهٔ کالاما نمونهای از اهمیت کسب بینشهای عمیقتر دربارهٔ مکانیسمهای شکست و پیامدهای سطحی آنها است.
منبع: scitechdaily
نظرات
تریپمایند
نکتهٔ کلیدی: محل شروع مهمه اما مسیر و شیب حرارتی هم هستن. باید نقشههای خطر بازطراحی شن.
بیونیکس
من تو آزمایشگاه دیدم اصطکاک در دماهای بالا یه رفتار عجیب داره، این انتقال مکانیزم خوب توضیح میده ولی باز آزمایش بیشتری لازمه
رودایکس
وااای یعنی عمق ۱۲۵کیلومتر هم میتونه اینقدر سطحی اثر بذاره؟ واقعاً هم جذاب هم ترسناک...
ارسال نظر