Pierwsze siedem miesięcy 2024 roku było tak pełne wydarzeń, że łatwo zapomnieć, że rok rozpoczął się od trzęsienia ziemi o magnitudzie 7,5, którego epicentrum znajdowało się pod japońskim półwyspem Noto w Nowy Rok. Trzęsienie ziemi zabiło ponad 280 osób i uszkodziło ponad 83 000 domów.
Geolodzy odkryli teraz, że trzęsienie ziemi rozpoczęło się niemal równocześnie w dwóch różnych punktach uskoku, co pozwoliło pęknięciu sejsmicznemu otoczyć i przebić się przez odporny obszar na uskoku znany jako bariera. Ten rzadki mechanizm „podwójnej inicjacji” wywarł intensywne ciśnienie z obu stron bariery, co doprowadziło do potężnego uwolnienia energii i znacznego wstrząsu gruntu na Półwyspie Noto.
Trzęsieniu ziemi w Noto towarzyszyły intensywne roje sejsmiczne, które są sekwencjami wielu małych trzęsień ziemi, które czasami mogą prowadzić do większego, katastrofalnego zdarzenia. Wykorzystując zaawansowane technologie sejsmiczne i geodezyjne, zespół badawczy skrupulatnie przeanalizował ruchy wewnątrz Ziemi podczas tego roju, który doprowadził do trzęsienia ziemi.
Badanie opublikowane w czasopiśmie Science rzuca światło na rolę barier uskokowych, zwanych również chropowatościami, w genezie trzęsień ziemi i pomoże udoskonalić ocenę ryzyka sejsmicznego oraz prognozowanie przyszłych trzęsień ziemi.
Trzęsienia ziemi występują, gdy pęknięcia w skorupie ziemskiej, znane jako uskoki, pozwalają blokom skał po obu stronach uskoku przesuwać się obok siebie. Ruch ten jest zlokalizowany, a nie ciągły wzdłuż linii uskoku, ponieważ linia nie jest równa ani gładka, co rozprasza energię i ostatecznie zatrzymuje ruch.
Bariera to nierówny obszar, który blokuje dwie strony uskoku na miejscu. Bariery pochłaniają energię ruchu uskoku, spowalniając go lub całkowicie zatrzymując. Jednak bariera może pochłonąć tylko określoną ilość energii, a w odpowiednich warunkach zgromadzona energia powoduje jej gwałtowne pęknięcie, co prowadzi do silnego wstrząsu. Rój małych trzęsień ziemi może nie wystarczyć, aby przełamać barierę, ale jeśli na uskoku nastąpi znacznie silniejszy ruch, pęknięcie bariery uwolni całą zgromadzoną energię.
Pod przewodnictwem Lingsena Menga, profesora nadzwyczajnego nauk o Ziemi, planetach i kosmosie na UCLA, studenta studiów podyplomowych na UCLA Liuwei Xu i profesora geofizyki na UC Santa Barbara Chen Ji, międzynarodowy zespół badaczy ze Stanów Zjednoczonych, Francji, Chin i Japonii przeanalizował dane geoprzestrzenne i nagrania fal sejsmicznych, aby zrozumieć relacje między rojem mniejszych wstrząsów a większym trzęsieniem ziemi, które nastąpiło po nich. Zidentyfikowali wcześniej nieznaną barierę w rejonie roju.
Ku ich zaskoczeniu noworoczne trzęsienie ziemi rozpoczęło się niemal równocześnie w dwóch różnych miejscach na uskoku. Energia z każdego miejsca przemieściła się w kierunku bariery, powodując gwałtowne pęknięcie i niezwykle silne wstrząsy.
„Trzęsienie ziemi zaczęło się w dwóch miejscach i krążyło razem” – powiedział Meng. „Pierwsze wywołało fale, które przemieszczały się szybko i wyzwoliły inne epicentrum. Następnie obie części rozprzestrzeniły się razem na zewnątrz i spotkały się w środku, gdzie była bariera, i ją przełamały”.
Mechanizm przypomina zginanie ołówka z obu stron, aż pęknie w środku.
Odkrycie było zaskakujące, ponieważ chociaż podwójną inicjację, jak nazywa się ten proces, zaobserwowano w symulacjach, znacznie trudniej było ją zaobserwować w naturze. Mechanizmy podwójnej inicjacji wymagają odpowiednich warunków, które można ustawić w laboratorium, ale są mniej przewidywalne w świecie rzeczywistym.
„Mogliśmy to zaobserwować, ponieważ Japonia ma bardzo dobre stacje monitorowania sejsmicznego, a także korzystaliśmy z danych GPS i radaru satelitarnego. Zebraliśmy wszystkie dane, jakie mogliśmy znaleźć! Tylko dzięki tym wszystkim danym razem uzyskaliśmy naprawdę dobrą rozdzielczość tego błędu i mogliśmy dotrzeć do tych drobnych szczegółów” — powiedział Meng.
W przypadku zdecydowanej większości trzęsień ziemi nie gromadzi się tak wielu danych, więc możliwe, że trzęsienia ziemi o podwójnym mechanizmie inicjacji są częstsze, niż sądzą geolodzy.
„Dzięki lepszemu obrazowaniu i rozdzielczości możemy w przyszłości zidentyfikować więcej takich przypadków” – powiedział Meng.
Trzęsienia ziemi z dwoma epicentrami mają większe ryzyko silniejszych wstrząsów, ponieważ występuje silniejszy ruch. Grupa Meng planuje rozważyć przyszłe scenariusze, aby dowiedzieć się więcej o warunkach i prawdopodobieństwach tych trzęsień ziemi.
„Nasze odkrycia podkreślają złożoną naturę inicjacji trzęsień ziemi i krytyczne warunki, które mogą prowadzić do wydarzeń sejsmicznych na dużą skalę” — powiedział Meng. „Zrozumienie tych procesów jest kluczowe dla poprawy naszej zdolności przewidywania i łagodzenia skutków przyszłych trzęsień ziemi”.
Najważniejsze wnioski
Trzęsienie ziemi o magnitudzie 7,5 pod japońskim półwyspem Noto 1 stycznia 2024 r. miało miejsce, gdy „mechanizm podwójnej inicjacji” zastosował wystarczającą ilość energii z dwóch różnych lokalizacji, aby przebić się przez barierę uskoku — obszar, który blokuje dwie strony uskoku na miejscu i pochłania energię ruchu uskoku, spowalniając go lub całkowicie zatrzymując. Międzynarodowy zespół badaczy pod przewodnictwem studenta studiów podyplomowych UCLA Liuwei Xu, profesora Lingsena Menga i Chen Ji z UC Santa Barbara przeanalizował poprzedni rój sejsmiczny i zidentyfikował wcześniej nieznaną barierę w regionie roju. Metody zbierania danych przez zespół mogą pomóc w przyszłych badaniach nad warunkami i prawdopodobieństwami trzęsień ziemi o podwójnej inicjacji.