分类
斯坦福大学新闻

斯坦福大学的研究人员解释了我们感觉不到的地震

研究人员在计算机模拟的帮助下解释了被称为缓慢滑动事件的神秘缓慢移动地震。他们发现,答案就在岩石的孔隙中。

地球的地下是一个极其活跃的地方,在那里,板块在地下深处的运动和摩擦塑造了我们的景观,并控制着上面的危险程度。尽管地震和火山爆发期间地球的运动已经被精密的仪器记录下来,研究人员进行了分析,并受到数学方程的约束,但它们并没有讲述我们脚下移动的板块的全部故事。

慢滑事件经常发生在俯冲带,比如位于奥林匹克国家公园下方、从加利福尼亚北部延伸至太平洋西北部的区域。(图片来源:Alisha Bube/iStock)

在过去20年里,全球定位系统的出现——包括带有捕捉毫米移动的极其灵敏传感器的接收器——让科学家意识到,地震样的现象一直难以理清。其中包括所谓的缓慢滑动事件,或缓慢移动的地震——这种滑动发生在数周内,而地面上的人类并不知道。

这些慢滑事件发生在世界各地,可能有助于触发更大的地震。最大的慢滑事件发生在俯冲带,一个板块俯冲到另一个板块之下,在数百万年的时间里最终形成山脉和火山。斯坦福大学的研究人员在6月15日的《固体力学与物理杂志》(Journal of the mechanical and Physics of solid)网络版上发布了新的计算机模拟结果,这些模拟结果可能解释了这些隐藏的运动。

“缓慢下滑是如此有趣的现象。慢滑事件是如此普遍,又如此难以解释,以至于作为科学家,它们是一个悬在我们面前的谜题,我们都想解开,”研究报告的合著者、斯坦福大学地球、能源和地球科学学院地球物理学副教授埃里克·杜汉姆说环境科学(斯坦福地球)。“我们对慢滑现象已经了解了近20年,但仍然不太了解它为什么会发生。”

隐形但强大

这些事件由于其不稳定但缓慢的性质,解释起来特别具有挑战性。断层并不稳定地滑动,而是周期性地滑动、加速,但从未达到发出足够大的地震波供人类探测的程度。

尽管它们的本性是偷偷摸摸的,但慢慢滑倒的事件可能会累积起来。邓纳姆说,在南极洲的一条冰流中,缓慢滑动事件每天发生两次,持续30分钟,相当于7.0级地震。

研究人员认为摩擦的变化解释了断层两侧岩石滑动的速度。考虑到这一点,他们假设慢滑事件始于地震,一种被称为速度衰减的摩擦力使滑体从根本上不稳定。但许多实验室的摩擦实验与这一观点相矛盾。相反,他们发现来自缓慢滑动区域的岩石表现出一种更稳定的摩擦,被称为速率强化,人们普遍认为这种摩擦能产生稳定的滑动。新的计算机模拟解决了这种不一致的问题,它显示了在看似相反的速度强化摩擦下,缓慢的滑移是如何产生的。

“一些研究表明,有一些方法可以破坏加息摩擦的稳定。然而,在我们的论文发表之前,没有人意识到,如果你模拟这些不稳定性,它们实际上会变成慢滑,不会变成地震。“我们还发现了一种产生慢滑不稳定性的新机制

物理定律

杜汉姆的研究小组通过考虑所有可能起作用的物理过程来解决关于地球的未解之谜。在这种情况下,断层发生在流体饱和的岩石中,使岩石具有所谓的孔隙弹性性质,孔隙允许岩石膨胀和收缩,从而改变流体压力。该小组对这些压力的变化如何改变断层上的摩擦阻力很感兴趣。

“在这种情况下,我们开始这个项目不是为了解释慢滑事件——我们开始这个项目是因为我们知道岩石具有这种孔隙弹性,我们想看看它会产生什么后果,”杜汉姆说。“我们从未想过它会引发慢滑事件,我们也从未想过它会以这种摩擦破坏断层的稳定。”

通过这些解释岩石多孔性的新模拟,研究小组发现,当岩石受到挤压,流体无法逃逸时,压力就会增加。压力的增加减少了摩擦,导致了缓慢的滑动事件。

“这个理论是高层次的,”Heimisson说。“当你考虑孔隙弹性时,我们看到了这些有趣的事情,人们可能希望在地震周期或特定地震的模型中更广泛地使用它。”

作为加州理工学院的博士后研究员,Heimisson将基于这一理论创建一个3D仿真。

马丁·阿尔姆奎斯特(Martin Almquist)是地球物理系的博士后研究员,也是这项研究的合作者之一。

这项研究是由斯坦福诱发和触发地震联盟、南加州地震中心、美国宇航局地球和空间科学奖学金项目总部以及克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会资助的。

要阅读有关斯坦福科学的所有故事,请订阅《斯坦福科学文摘》(Stanford science Digest)。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.stanford.edu/2019/08/21/new-theory-explains-earthquakes-cant-feel/