Bir depremin ürettiği zemin sarma, bir depremin serbest bıraktığı toplam enerjinin sadece bir kısmıdır. Bir deprem, yeraltı kayalarının domino benzeri bir kırılmasıyla birlikte bir ısı parıltısı da üretebilir. Ancak bu üç işlemin her birine tam olarak ne kadar enerji giriyor, imkansız olmasa da, alanda ölçmek için son derece zordur.
Şimdi, MIT jeologları tarafından serbest bırakılan enerjiyi izlediler. “laboratuvar depremleri”- Kontrollü bir laboratuvar ortamında dikkatlice tetiklenen doğal depremlerin mirasli analogları. İlk kez, bu tür depremlerin tam enerji bütçesini, ısı, çalkalama ve kırılmaya giren enerjinin fraksiyonu açısından ölçtüler.
Bir laboratuvar depreminin sadece% 10’unun fiziksel sarsmaya neden olduğunu buldular. Daha da küçük bir fraksiyon -%1’den fazla – kayayı kırmaya ve yeni yüzeyler yaratmaya yönelir. Bir deprem enerjisinin ezici kısmı – ortalama%80 – bir deprem merkezinin etrafındaki hemen bölgeyi ısıtmaya gidiyor. Aslında, araştırmacılar bir laboratuvar depreminin çevreleyen malzemeyi eritecek kadar sıcak bir sıcaklık artışı üretebileceğini ve kısaca sıvı eriyik haline getirebileceğini gözlemlediler.
Jeologlar ayrıca bir depremin enerji bütçesinin bir bölgenin deformasyon geçmişine bağlı olduğunu buldular – kayaların önceki tektonik hareketlerle değiştirildiği ve bozulma derecesi. Isı, sallama ve kaya kırığı üreten deprem enerjisi fraksiyonları, bölgenin geçmişte yaşadığına bağlı olarak değişebilir.
“Deformasyon geçmişi – esasen kaya hatırladığı şey – bir depremin ne kadar yıkıcı olabileceğini gerçekten etkiliyor,” MIT’in Dünya, Atmosfer ve Gezegen Bilimleri Bölümünde (EAPS) yüksek lisans öğrencisi Daniel Ortega-Arroyo diyor. “Bu tarih, kayadaki birçok malzeme özellikini etkiler ve bir dereceye kadar nasıl kayacağını belirler.”
Ekibin laboratuvar depremleri, doğal bir deprem sırasında meydana gelenlerin basitleştirilmiş bir analogudur. Yolda, sonuçları sismologların sismik olaylara eğilimli bölgelerde deprem olasılığını tahmin etmelerine yardımcı olabilir. Örneğin, bilim adamlarının geçmişte ne kadar sarsıldığı konusunda bir fikri varsa, deprem enerjisinin de eriterek veya parçalayarak kayaları derin yeraltında etkilediğini tahmin edebilirler. Bu da bölgenin gelecekteki depremlere ne kadar az ya da çok savunmasız olduğunu ortaya çıkarabilir.
“Dünyanın karmaşıklığını asla yeniden üretemedik, bu yüzden bu laboratuvar depremlerinde olanların fiziğini izole etmeliyiz.” MIT’de jeofizik doçenti Matěj Peč diyor. “Bu süreçleri anlamayı ve onları doğaya tahmin etmeyi umuyoruz.”
Peč (belirgin “Gaga”) ve Ortega-Arroyo sonuçlarını 28 Ağustos’ta dergide bildirdi AGU İlerliyor. MIT ortak yazarları, Hoagy O’Ghaffari ve Camilla Cattania, Harvard Üniversitesi’nde Zheng Gong ve Roger Fu ve Hollanda’daki Utrecht Üniversitesi’nde Markus Ohl ve Oliver Plümper’dır.
Yüzeyin altında
Depremler, milyonlarca yıl boyunca kayalar halinde depolanan enerji tarafından yönlendirilir. Tektonik plakalar yavaşça birbirlerine karşı öğüttükçe, stres kabuktan birikir. Kayalar malzeme güçlerinden geçtiğinde, aniden dar bir bölge boyunca kayabilir ve jeolojik bir hata yaratabilirler. Kayalar hatanın her iki tarafında kaydırdıkça, dışa ve yukarı doğru dalgalanan sismik dalgalar üretir.
Bir depremin enerjisini esas olarak sismometreler ve diğer yer tabanlı enstrümanlar kullanılarak ölçülebilen zemin sallama şeklinde algılıyoruz. Ancak bir deprem enerjisinin diğer iki ana formu – ısınma ve yeraltı kırılması – mevcut teknolojilerle büyük ölçüde erişilemez.
“Günlük desenleri görebileceğimiz ve bir dizi ilgili değişkeni ölçebileceğimiz hava koşullarından farklı olarak, bunu dünyada çok derin yapmak çok zor,” Ortega-Arroyo diyor. “Kayaların kendilerine ne olduğunu bilmiyoruz ve depremlerin bir fay bölgesinde tekrarladığı zaman çizelgeleri yüzyıldan-milenia zaman çizelgelerinde.”
Bir depremin enerjisinin nasıl bölündüğü ve bu enerji bütçesinin bir bölgenin sismik riskini nasıl etkileyebileceği hakkında bir fikir edinmek için, o ve Peč laboratuvara girdi. Son yedi yılda, Peč’in MIT grubu, mikro ölçekte sismik olayları simüle etmek için yöntemler ve enstrümantasyon geliştirdi.
“Neler olup bitenlere odaklanıyoruz, başarısızlığın birçok yönünü kontrol edebileceğimiz ve doğaya herhangi bir ölçeklendirme yapmadan önce bunu anlamaya çalışabiliyoruz,” Ortega-Arroyo diyor.
Mikroshakes
Yeni çalışmaları için ekip, bir hata bölgesi boyunca kayaların sismik kaymasını simüle eden minyatür laboratuvar depremleri üretti. Sismojenik tabakadaki kayaları temsil eden küçük granit örnekleri ile çalıştılar – depremlerin tipik olarak ortaya çıktığı kıtasal kabuktaki jeolojik bölge. Graniti ince bir toz haline getirirler ve ezilmiş graniti, bir tür iç sıcaklık göstergesi olarak kullandıkları çok daha ince bir manyetik parçacık tozu ile karıştırırlar. (Bir parçacığın manyetik alan gücü, sıcaklıktaki bir dalgalanmaya yanıt olarak değişecektir.)
Araştırmacılar, iki küçük pistonun arasına toz granit örneklerini – yaklaşık 10 milimetre ve 1 milimetre ince – yerleştirdiler ve topluluğu altın bir cekete sardı. Daha sonra tozun manyetik parçacıklarını aynı başlangıç yönüne ve aynı alan mukavemetine yönlendirmek için güçlü bir manyetik alan uyguladılar. Parçacıkların oryantasyon ve alan gücündeki herhangi bir değişikliğin, bölgenin herhangi bir sismik olay sonucunda ne kadar ısı yaşadığının bir işareti olması gerektiğini düşündüler.
Örnekler hazırlandıktan sonra, ekip onları bir araya getirdikleri, araştırmacıların yeryüzün sismojenik tabakasında yaşadığı baskılara benzer şekilde, yüzeyin yaklaşık 10 ila 20 kilometre altındaki baskılara benzer şekilde, sürekli artan basınç uygulamak için ayarladıkları özel olarak inşa edilmiş bir aparata yerleştirdi. Örneğin, örneğin stresi artırdıklarında meydana gelen herhangi bir çalkalamayı ölçmek için bir numunenin her iki ucuna ekledikleri ortak yazar O’Ghaffari tarafından geliştirilen özel yapım piezoelektrik sensörler kullandılar.
Bazı streslerde, bazı örneklerin bir depreme benzer bir mikro ölçekli sismik olay ürettiğini gözlemlediler. GERÇEKTEN sonra örneklerdeki manyetik parçacıkları analiz ederek, her bir örneğin geçici olarak ne kadar ısıtıldığına dair bir tahmin elde ettiler – Roger Fu’nun Harvard Üniversitesi Laboratuarı ile işbirliği içinde geliştirilen bir yöntem.
Ayrıca, piezoelektrik sensörden ve sayısal modellerden gelen ölçümler kullanarak, her bir numunenin yaşadığı sarsıntılı olarak tahmin edildiğini tahmin ettiler. Araştırmacılar ayrıca, granit tanelerinin boyutunun nasıl değiştiğini – ve kaç tane daha küçük parçalara ayrıldığını değerlendirmek için mikroskop altında her bir numuneyi farklı büyütmelerde incelediler.
Tüm bu ölçümlerden, ekip her laboratuvar depreminin enerji bütçesini tahmin edebildi. Ortalama olarak, bir deprem enerjisinin yaklaşık% 80’inin ısıya gittiğini,% 10’unun çalkalama ürettiğini ve% 1’inden daha azının kaya kırılmasına veya yeni, daha küçük parçacık yüzeyleri oluşturduğunu buldular.
“Bazı durumlarda, arızaya yakın, numunenin bir mikrosaniye meselesinde oda sıcaklığından 1.200 ° C’ye gittiğini ve daha sonra hareket durduktan sonra hemen soğuduğunu gördük.” Ortega-Arroyo diyor. “Ve bir örnekte, arızanın yaklaşık 100 mikron hareket ettiğini gördük, bu da kayma hızlarını saniyede yaklaşık 10 metre anlamına geliyor. Çok uzun sürmese de çok hızlı hareket ediyor.”
Araştırmacılar, benzer süreçlerin gerçek, kilometre ölçekli depremlerde oynandığından şüpheleniyor.
“Deneylerimiz, bugüne kadar kayalarda deprem benzeri rüptürlerin fiziğinin en eksiksiz görüşlerinden birini sağlayan entegre bir yaklaşım sunmaktadır.” Peč diyor. “Bu, mevcut deprem modellerimizin ve doğal tehlike azaltmanın nasıl geliştirileceğine dair ipuçları sağlayacaktır.”
