當(dāng)長時間由于摩擦而保持在原位的地殼片突然滑落時，地震可能是突然爆發(fā)的本壘般的地面屈曲能量。

斯坦福大學(xué)地球物理學(xué)家埃里克·鄧納姆(Eric Dunham)說：“我們通常會想到斷層兩側(cè)的板塊會移動，變形，形成應(yīng)力，然后發(fā)生爆炸。”

但是在更深的地方，這些巖石塊可以平穩(wěn)地彼此滑動，以指甲生長的速度沿著地殼的裂縫爬行。

斷層的下部蠕變部分與上部之間存在邊界，該邊界可能會被鎖定數(shù)百年。幾十年來，科學(xué)家一直困惑于控制邊界，其運(yùn)動及其與大地震之間關(guān)系的因素。未知數(shù)中最主要的是流體和壓力如何沿斷層運(yùn)動，以及如何導(dǎo)致斷層滑動。

Dunham及其同事開發(fā)的新的基于物理的故障模擬器提供了一些答案。該模型顯示了流體如何通過擬合上升并開始逐漸減弱斷層。在導(dǎo)致大地震的幾十年中，它們似乎將邊界或鎖定深度推高了一英里或兩英里。

遷移群

這項(xiàng)研究于9月24日發(fā)表在《自然通訊》上，該研究還表明，隨著高壓流體脈沖越來越靠近地表，它們會引發(fā)地震群-通常在一周左右的時間內(nèi)聚集在本地的一系列地震。這些地震群的晃動通常很難引起人們的注意，但并非總是如此：例如，在2020年8月加利福尼亞圣安德烈亞斯斷層南端附近的一群地震產(chǎn)生了4.6級地震，足以震撼周圍的城市。 。

一群地震中的每一次地震都有自己的余震序列，與之相比，一次大的主震隨后是許多余震。該論文的資深作者，斯坦福大學(xué)地球，能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院(斯坦福地球?qū)W院)地球物理學(xué)副教授鄧納姆解釋說：“地震群通常涉及沿水平或垂直方向沿斷層的這些事件的遷移。” 。

模擬器會映射此遷移的工作方式。盡管過去20年中許多先進(jìn)的地震建模都集中于摩擦在解鎖斷層中的作用，但這項(xiàng)新工作使用簡化的二維斷層模型解釋了斷層帶中流體與壓力之間的相互作用。垂直穿過地球的整個地殼，類似于加利福尼亞州的圣安德烈亞斯斷層。

斯坦福大學(xué)地球物理學(xué)專業(yè)的主要作者朱偉強(qiáng)說：“通過計算建模，我們能夠弄清斷層行為的某些根本原因。” “我們發(fā)現(xiàn)斷層周圍壓力的起伏變化在決定其強(qiáng)度方面可能比摩擦起更大的作用。”

地下閥門

地殼的斷層總是充滿了流體-大多數(shù)是水，但是水的狀態(tài)模糊了液體和氣體之間的區(qū)別。其中一些流體起源于地球的腹部并向上遷移。有些來自上方，當(dāng)降雨滲入或能源開發(fā)商將其作為石油，天然氣或地?zé)犴?xiàng)目的一部分注入流體時。鄧納姆說：“這種流體壓力的增加會推向斷層壁，使斷層更容易滑動。” “或者，如果壓力降低，則會產(chǎn)生將壁拉在一起并阻止滑動的吸力。”

幾十年來，對斷層帶出土的巖石的研究表明，在大地震期間和之間，巨大的裂縫，充滿礦物質(zhì)的脈動和其他跡象表明壓力會劇烈波動，導(dǎo)致地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為水和其他流體在引發(fā)地震和爆炸中起著重要作用。影響最大的地震發(fā)生時。鄧納姆說：“巖石本身告訴我們這是一個重要的過程。”

最近，科學(xué)家記錄了與能量運(yùn)行有關(guān)的流體注入可能導(dǎo)致地震群。例如，地震學(xué)家將石油和天然氣廢水處理井與俄克拉荷馬州部分地區(qū)的地震急劇增加聯(lián)系起來，從2009年左右開始。他們發(fā)現(xiàn)，地震群在不同環(huán)境中沿著斷層移動的速度更快或更慢，無論它在火山下面Dunham解釋說，這可能是由于流體生產(chǎn)率的巨大差異所致，在地?zé)嶙鳂I(yè)附近或在油氣藏內(nèi)。但是建模尚未解開觀察到的模式背后的物理機(jī)制網(wǎng)。

鄧納姆(Dunham)和朱(Zhu)的工作建立在斷層閥門的概念上，地質(zhì)學(xué)家在1990年代首次提出了這種概念。鄧納姆解釋說：“想法是，即使斷層流體以穩(wěn)定，恒定的速率釋放或注入，斷層流體也會沿著斷層間歇地上升。” 在大地震之間的幾十至數(shù)千年間，礦物沉積和其他化學(xué)過程將斷層帶封閉。

當(dāng)故障閥關(guān)閉時，流體積聚并形成壓力，從而削弱故障并迫使其滑動。有時，這種運(yùn)動太輕微而不會引起地面震動，但足以使巖石破裂并打開閥門，使流體恢復(fù)上升。

新的模型首次顯示，當(dāng)這些脈沖沿著斷層向上傳播時，它們會產(chǎn)生地震群。鄧納姆說：“故障閥的概念以及間歇性地釋放流體是一個古老的想法。” “但是在我們的故障閥模擬中，地震群的發(fā)生是完全出乎意料的。”

預(yù)測及其局限性

該模型對高壓流體脈沖沿斷層移動的速度，開孔，導(dǎo)致斷層滑動并觸發(fā)某些現(xiàn)象進(jìn)行了定量預(yù)測：鎖定深度的變化，在某些情況下，以及斷層運(yùn)動明顯地變慢或其他人的小地震群。然后可以針對沿著斷層的實(shí)際地震活動測試這些預(yù)測，換句話說，是在何時何地最終發(fā)生小地震或慢動作地震的地方。

例如，一組模擬(其中斷層被設(shè)定為在三到四個月內(nèi)封閉并阻止流體運(yùn)移)模擬了在一年中沿鎖定深度圍繞斷層的滑動略超過一英寸的情況。 ，周期每隔幾年重復(fù)一次。這種特殊的模擬非常符合在新西蘭和日本觀察到的所謂的慢滑事件的模式，這表明算法中內(nèi)置的基本過程和數(shù)學(xué)關(guān)系已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)。同時，隨著密封技術(shù)的拖延多年，導(dǎo)致鎖定深度隨著壓力脈沖的上升而增加。

鎖定深度的變化可以通過GPS對地球表面變形的測量來估算。但鄧納姆說，這項(xiàng)技術(shù)并不是地震預(yù)報器。他解釋說，那將需要對影響斷層滑動的過程有更全面的了解，以及有關(guān)特定斷層的幾何形狀，應(yīng)力，巖石成分和流體壓力的信息，“在很大程度上，這是不可能的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)行動發(fā)生在地下許多英里處。”

相反，該模型提供了一種理解過程的方式：流體壓力的變化如何導(dǎo)致故障滑動;以及 斷層的滑動和打滑如何使巖石破裂并使巖石更具滲透性;以及增加的孔隙率如何使流體更容易流動。

將來，這種理解可能有助于評估與向地球注入流體有關(guān)的風(fēng)險。鄧納姆說：“我們從流體流動與摩擦滑動的耦合中汲取的教訓(xùn)適用于自然發(fā)生的地震以及油氣藏中發(fā)生的誘發(fā)地震。”