当由于摩擦而长期处于固定位置的地球地壳突然滑动和倾斜时，地震可能是家园破碎和地面弯曲能量的突然爆发。
新的模型首次表明，当高压流体脉冲沿断层向上传播时，它们会产生地震群。(图片来源:iStock)
斯坦福大学地球物理学家Eric Dunham说:“我们通常认为，断层两边的板块移动、变形、产生压力，然后，砰的一声，地震发生了。”
但在更深处，这些岩石可以稳定地彼此滑动，以你指甲长得那么快的速度沿着地壳的裂缝爬行。
断层较低的爬行部分和可能连续几个世纪处于锁定状态的上部之间存在着边界。几十年来，科学家们一直困惑于是什么控制着这个边界、它的运动以及它与大地震的关系。目前尚不清楚的主要问题是流体和压力是如何沿着断层移动的，以及它们是如何导致断层滑动的。
由邓纳姆和他的同事开发的一种新的基于物理的故障模拟器提供了一些答案。该模型显示了流体的间歇性上升如何逐渐削弱断层。在大地震发生前的几十年里，它们似乎将边界或锁定深度向上推了一两英里。
迁移成群
这项研究发表在9月24日的《自然通讯》(Nature Communications)上，研究还表明，随着高压流体脉冲越来越接近地表，它们会引发地震群
1一连串地震聚集在一个地区，通常持续一周左右。这些地震群产生的震动往往太过微妙，人们往往注意不到，但也并非总是如此:例如，2020年8月，靠近加州圣安德烈亚斯断层南端的地震群产生了一场4.6级的地震，足以撼动周围的城市。
一个地震群中的每一次地震都有它自己的余震序列，而不是一次大的主震之后会有很多余震。“地震群通常包括这些事件沿断层向某个方向的移动，水平或垂直方向，”德纳姆解释道，他是该论文的资深作者，也是斯坦福大学地球、能源和amp学院的地球物理学副教授。环境科学(斯坦福地球)。
模拟器会映射出迁移的工作方式。而先进的地震建模的大部分过去的20年里一直专注于摩擦的作用释放的缺点,新工作流体和压力之间的相互作用占使用一个简化的断层带,二维模型的断层垂直穿过地球的整个地壳,类似于在加州的圣安德烈亚斯断层。
“通过计算模型，我们能够梳理出断层行为的一些根本原因，”斯坦福大学地球物理学研究生、第一作者朱伟强说。“我们发现，在决定断层强度方面，断层周围压力的涨落可能比摩擦发挥更大的作用。”
地下阀门
地壳的断层总是充满了液体——大部分是水，但水的状态模糊了液体和气体的区别。其中一些流体起源于地球的腹部并向上迁移;当降雨渗入或能源开发人员在石油、天然气或地热项目中注入液体时，就会有一些来自地下。德纳姆说:“流体压力的增加会推到断层壁上，使断层更容易滑动。”“或者，如果压力降低，就会产生吸力，将墙壁拉到一起，阻止滑动。”
几十年来,出土断层岩石的研究显示的裂缝,矿物静脉或其他迹象表明,压力剧烈波动期间和之间的大地震,导致地质学家推测,水和其他液体发挥重要作用在引发地震和影响最大的地震袭击。“岩石本身告诉我们这是一个重要的过程，”杜汉姆说。
最近，科学家们发现，与能量运作相关的液体注入会导致地震群。例如，地震学家已经将石油和天然气废水处理井与2009年前后俄克拉荷马州部分地区地震的急剧增加联系起来。他们发现，在不同的环境下，地震群会沿着断层移动得更快或更慢，无论是在火山下面，还是在地热作业周围，还是在油气藏中，这可能是因为流体生产速率的巨大差异，杜汉姆解释道。但是建模还没有解开所观察到的模式背后的物理机制网。
Dunham和Zhu的研究建立在断层即阀门的概念上，这是地质学家在20世纪90年代首次提出的概念。杜汉姆解释说:“流体沿着断层间歇性地上升，即使这些流体以稳定、恒定的速度释放或注入。”在几十年到几千年的时间里，大地震、矿物沉积和其他化学作用封闭了断裂带。
当故障阀关闭时，流体聚集，压力增加，使故障减弱，迫使它滑动。有时这种运动太过轻微，不会引起地面震动，但足以打破岩石，打开阀门，让液体继续上升。
新的模型首次表明，当这些脉冲沿断层向上传播时，它们会产生地震群。“故障阀和液体间歇释放的概念已经过时了，”邓纳姆说。“但在我们的断层阀模拟中，地震群的出现是完全出乎意料的。”
预测和它们的极限
该模型对高压流体沿断层移动、打开孔隙、导致断层滑动和触发某些现象的速度进行了定量预测:在某些情况下锁定深度的变化，以及在其他情况下难以察觉的缓慢断层运动或小地震群。然后，这些预测可以与沿断层的实际地震活动性进行测试——换句话说，就是小地震或慢动作地震最终会在何时何地发生。
例如,一组模拟的故障将封存,停止流体迁移在三或四个月,预计一英寸多一点的滑动沿着断层对锁定深度超过一年的时间里,与循环重复每隔几年。这种特殊的模拟与在新西兰和日本观察到的所谓的慢滑事件的模式非常吻合——这表明算法中内置的基本过程和数学关系是正确的。与此同时，随着压力脉冲的上升，多年来对密封的模拟导致了锁定深度的上升。
锁定深度的变化可以通过GPS对地球表面变形的测量来估计。但德纳姆说，这项技术并不是地震预报器。他解释说，这需要对影响断层滑动的过程有更全面的了解，也需要对特定断层的几何形状、应力、岩石成分和流体压力有更全面的了解，“考虑到大部分活动都发生在地下数英里处，要想了解细节是不可能的。”
相反，该模型提供了一种理解过程的方法:流体压力的变化如何导致断层滑动;断层的滑动是如何使岩石破裂并使其更具渗透性的;以及增加的孔隙度如何使流体更容易流动。
今后，这一认识将有助于对向地球注入液体的风险进行评估。根据杜汉姆的说法，“我们所学到的关于流体如何与摩擦滑动耦合的经验教训，既适用于自然发生的地震，也适用于发生在油气藏中的诱发地震。”
共同作者包括Kali L. Allison，地球物理学博士，马里兰大学博士后，和Yuyun Yang，斯坦福大学计算和数学工程专业的博士生。
这项研究得到了美国国家科学基金会和南加州地震中心的支持。
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