Trzęsienie ziemi, które trwało latami. Naukowcy wiedzą już, co było przyczyną

Na początku 2016 roku, bez żadnego większego zamieszania w południowej Kalifornii po cichu powstał rój trzęsień ziemi. Trzęsienia nie zdarzały się codziennie, a większość z nich była zbyt mała, by człowiek mógł je odczuć. Jednak drżenia występowały też w kolejnych miesiącach, a ich liczba rosła. Do wiosny 2018 r. każdego miesiąca dochodziło do tysięcy małych trzęsień ziemi, a niektóre z nich były na tyle duże, że mogły spowodować kołysanie się lamp i wzbudzić niepokój wśród mieszkańców pobliskich miast. W ciągu ostatnich czterech lat odnotowano ponad 22 000 wstrząsów. Jednak źródło tej aktywności pozostawało tajemnicą.

Sejsmolodzy zbadali skupisko 22.698 małych trzęsień ziemi, które trwały prawie cztery lata

Przyczyna trzęsień ziemi tego typu? Do tej pory było to niejasne. Ale teraz możemy obserwować serię trzęsień ziemi w jednej z najwyższych rozdzielczości i dzięki temu naukowcy znaleźli ich prawdopodobną przyczynę. Wyniki mogą pomóc geologom na całym świecie w lepszym zrozumieniu fizyki stojącej u podstaw trzęsień ziemi, zarówno dużych jak i małych. Ostatecznie, podobne prace mogłyby nawet poprawić monitorowanie trzęsień ziemi w czasie rzeczywistym

W analizie wykorzystano algorytm komputerowy do wyodrębnienia lokalizacji i tego ile trwa trzęsienie ziemi tak małych rozmiarów, tworząc niesamowicie szczegółowy obraz aktywności wstrząsów, które rozwijały się wzdłuż sieci pęknięć. Ten imponujący obraz postępu roju sugeruje, że skupisko wstrząsów zostało wyzwolone przez ciecze naturalnie wtłaczane do sieci uskoków. Badanie wskazuje, że ciecze mogą odgrywać ważną rolę w powstawaniu innych rojów wykrywanych na całym świecie. A zastosowana metoda może okazać się przydatna dla udoskonalenia globalnej analizy sejsmicznej.

"Szczegóły są tutaj niesamowite" - mówi sejsmolog Elizabeth Vanacore z Puerto Rico Seismic Network na Uniwersytecie Puerto Rico w Mayagüez, która nie należała do zespołu badawczego. "Ten rodzaj pracy jest nowatorski i nauka zmierza właśnie w tym kierunku."

Maleńkie trzęsienie ziemi - dostrzegając rój wstrząsów

Na czym polega trzęsienie ziemi? Szczeliny wzdłuż linii uskoku w skorupie ziemskiej wyobrażaliśmy sobie kiedyś jako proste struktury, ale jak mówi Emily Roland, sejsmolog morski z Uniwersytetu Waszyngtońskiego, która nie należała do zespołu badawczego, w rzeczywistości strefy uskoku to bardzo skomplikowane miejsca. Niektóre uskoki mogą się wyginać. Inne krzyżują się pod ziemią. Pęknięcia analizowane w nowym badaniu splatają się w podziemnym labiryncie rozciągającym się na przestrzeni kilku kilometrów.

Rój trzęsień ziemi, który ujawnił tę skomplikowaną strukturę trwał niezauważony do 2017 roku, kiedy to w skrzynce Southern California Seismic Network wylądował e-mail od ciekawskiego obywatela. W e-mailu tym proszono o informację na temat skupiska maleńkich trzęsień ziemi w słabo zaludnionym rejonie stanu.

Pobieżne oględziny tego terenu nie ujawniły niczego niezwykłego. Tak też stwierdził Zachary Ross, geofizyk z California Institute of Technology, kierujący badaniem, którego wyniki opublikowano 18 czerwca w czasopiśmie Science. Obszar ten, położony około 15 km od bardzo aktywnej strefy uskoku San Jacinto, często dotykają drobne wstrząsy. Jednak zagłębiając się w historię sejsmiczną tego regionu, naukowcy zdali sobie sprawę, że autor maila miał rację. Prawie rok wcześniej, w 2016 roku, wzdłuż krawędzi rezerwatu Cahuilla Band of Mission Indians pojawił się rój małych trzęsień ziemi.

Takie roje małych wstrząsów różnią się od dużych trzęsień ziemi, które często przebiegają według znanego schematu. Po silnym zdarzeniu, czyli głównym wstrząsie, następuje seria wstrząsów wtórnych, które stopniowo zmniejszają się pod względem wielkości i częstotliwości w przewidywalnym okresie czasu.

Roje trzęsień ziemi są zupełnie inną geologiczną bajką. Zdarzenia te rozwijają się bez żadnego powodu, a czasami składają się z setek lub tysięcy małych lub umiarkowanych, ale podobnych w swoich rozmiarach trzęsień ziemi. Większość rojów pojawia się w postaci serii wstrząsów na przestrzeni godzin, dni, a nawet miesięcy. Jak mówi Vanacore w Puerto Rico, gdzie roje są szczególnie częste, takie wybuchy trwają zwykle od 36 do 48 godzin.

Podczas, gdy wiele rojów kojarzy się z bulgoczącymi wulkanami, inne przetaczają się przez krajobrazy z dala od jakiejkolwiek większej aktywności. Ryzyko zniszczenia w wyniku tych wydarzeń jest bardzo zróżnicowane. Rój Cahuilla wywoływał wstrząsy od początku 2016 roku aż do zeszłego roku, ale wszystkie wstrząsy były maleńkie i nigdy nie spowodowały znaczących szkód w ciągu czterech lat.

"To, jak powstają i dlaczego robią to, co robią, jest kwestią dyskusyjną" - mówi Abhijit Ghosh z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside, sejsmolog zajmujący się trzęsieniami ziemi, który nie był zaangażowany w badania.

Aby szczegółowo zbadać te wydarzenia naukowcy musieli znaleźć sposób na wychwycenie wszystkich maleńkich wstrząsów w stertach danych sejsmicznych. W ciągu ostatnich kilku lat Ross i jego koledzy pracowali nad nowymi metodami wykrywania i monitorowania trzęsień ziemi, poprzez wykorzystanie mocy uczenia maszynowego. Dzięki wprowadzeniu do algorytmów sieci neuronowej danych o trzęsieniach ziemi oznaczonych przez ludzkich ekspertów, maszyna nauczyła się rozpoznawać małe trzęsienia ziemi w bałaganie zygzaków z sejsmografów.

"Zdecydowaliśmy się na włączenie tego luźnego zbioru danych na temat [roju Cahuilla]", mówi Ross.

Gdzie występują trzęsienia ziemi? Podziemny labirynt

Efektem pracy zespołu jest niezwykle złożone spojrzenie na to, jak rozwijał się rój Cahuilla. Naukowcy doszli do wniosku, że pod strukturą uskoku znajduje się zbiornik z cieczami, takimi jak woda czy ciekły dwutlenek węgla. Przez wiele lat były one odcięte od systemu uskokowego, ale w 2016 roku coś naruszyło podział skalny. Do uskoku dostała się ciecz, zmieniając ciśnienie w systemie i nawilżając pęknięcia, co wywołało pierwsze wstrząsy roju na głębokości około 8 km.

W ciągu kolejnych miesięcy z tego wąskiego punktu wyjścia rój powoli przemieszczał się w górę i na zewnątrz. Promieniujący front wstrząsów rozchodził się wzdłuż podziemnych szczelin w skale - dokładnie tak, jak rozprzestrzenia się ciecz. Niektóre szlaki frontu wstrząsów w końcu wygasły, być może w miarę jak ciecz docierała do końca szczeliny. Innym razem trzęsienia zatrzymywały się na granicy, przemieszczając się na boki przed wznowieniem swojej trajektorii, jak rzeka płynąca wokół skały.

W sierpniu 2018 roku, prawie trzy lata po powstaniu roju, jedna ze szczególnie silnych blokad zdawała się hamować przepływ cieczy w górę. Wstrząsy zmieniły kierunek, zanim w końcu znalazły nowy szlak, aby ponownie skierować się ku powierzchni. Wtedy właśnie przepływ wywołał największe trzęsienie ziemi mierzone w roju. Jego wielkość wynosiła 4,4 stopnia, a każdy, kto znajdował się tuż nad nim mógł poczuć drgania ziemi. Jak mówi Ross, trzęsienie to było bardzo ważne dla systemu, wywołując serię mniejszych wstrząsów w jednym, ostatnim wybuchu energii, zanim rój wygasł.

W sumie badanie ukazuje przekonujący obraz cieczy spływających do strefy uskoku, które wywołały czteroletnie drgania w skale pod południową Kalifornią. Podobne przepływy cieczy mogą powodować mnóstwo innych rojów na całym świecie, choć prawdopodobnie istnieje wiele przyczyn powstawania skupisk wstrząsów.

"Każdy rój, każdy obszar tektoniczny, ma swoje własne dziwactwa, swoją własną tożsamość" - mówi Vanacore. Rój w Portoryko na przykład daje się odczuć stosunkowo głęboko pod powierzchnią i może być wynikiem rozdarcia płyty tektonicznej, kiedy zapada się pod powierzchnią.

Badanie pokazuje również, w jaki sposób uczenie maszynowe może pomóc geologom stworzyć szczegółowy obraz podziemnej części naszej planety. Każde trzęsienie ziemi jest jak kropka na obrazie pointylistycznym. Badając tylko największe trzęsienia ziemi, widzimy jedynie garstkę kropek. Ale dodając maleńkie wstrząsy, zaczyna wyłaniać się nam kompletny obraz złożonej fizyki kryjącej się za częstym skrzypieniem i drżeniem naszej planety.

Autor: Maya WeI-Haas

Źródło: NationalGeographic.com: A strange earthquake swarm lasted for years. Scientists finally know why.