Nowe badania nad trzęsieniem ziemi w Tohoku-Oki o magnitudzie 9.0 w skali Richtera badają powiązania między nauką o Ziemi, właściwościami materiałów i zaawansowanymi technikami modelowania. Łącząc aspekty tych dziedzin nauki, Ehsan Jamali Hondori i Park Jin-Oh z Uniwersytetu Tokijskiego byli w stanie określić rolę, jaką odegrały osady podmorskie w śmiertelnym trzęsieniu ziemi, które nawiedziło Japonię w 2011 roku. Badania mogą również pomóc w zidentyfikowaniu uskoków, które będą podatne na podobne trzęsienia ziemi w przyszłości.
Prace duetu skupiały się na uskoku oporowym płytkiej płyty, znanym również jako décollement, będącym bardzo płytką i niestabilną strefą aktywności tektonicznej. Uskok ten jest umiejscowiony w stosunku do strefy subdukcji rowu japońskiego u wschodniego wybrzeża Japonii, a jego pęknięcie doprowadziło do zaburzeń na dnie morskim, które stworzyły fale tsunami związane z trzęsieniem ziemi w Tohoku-Oki. Ta szeroko zakrojona interpretacja jest dobrze przyjęta; jednakże dalsze badania wymagają stabilności osadów znajdujących się pod spodem (cząstek warstwowych, które nie stały się jeszcze litą skałą), która mogła mieć wpływ na rozprzestrzenianie się pęknięcia.
Jamali Hondori i Park zbadali tę stabilność za pomocą obrazowania sejsmicznego 2D, a następnie obliczyli ciśnienie płynu w porach osadów w dekolcie. Obrazowanie sejsmiczne pozwala na rekonstrukcję struktur geologicznych, a ciśnienie płynu porowego opisuje zachowanie cząstek osadu, gdy są one poddawane działaniu wysokiego ciśnienia pochodzącego z oceanu powyżej dekoltu.
Dane sejsmiczne i dane dotyczące płynu w porach zebrano oddzielnie, dane sejsmiczne w formie sejsmogramu, a dane dotyczące płynu w porach wykreślono w funkcji odkształcenia ścinającego i odległości od wykopu.
Jackpot danych
Epicentrum trzęsienia ziemi znajdowało się wyjątkowo blisko stanowiska 2E, które jest miejscem badań uwzględnionym w poprzednim badaniu. Dzięki temu doskonałemu położeniu względem dekoltu Jamali Hondori i Park trafili w dziesiątkę, jeśli chodzi o zdjęcia głębi sejsmicznej.
Obrazy głębokości sejsmicznej dekoltu ujawniły utworzenie pryzmatu akrecyjnego. Jest to zbiór przemieszczonych osadów, które zostały wydobyte i rozgniecione przez ruchy tektoniczne regionu. Pomiar prędkości względnych fal sejsmicznych przechodzących przez te struktury osadowe pozwolił obu badaczom stwierdzić, że ciśnienie płynu w porach osadów prowadzi do destabilizacji, co z kolei prowadzi do aktywności sejsmicznej w pobliżu stanowiska 2E.
Badania wykazały istotny związek między przyczyną trzęsienia ziemi a sposobem odprowadzania płynu z osadów. Oceniono to poprzez obliczenie „współczynnika nadciśnienia płynu”, który określa ilościowo drenaż i ilość płynu nadal obecnego w osadach. Jamali Hondori i Park wykazali, że pod obszarem 2E znajduje się aktywna ścieżka odwadniająca. W rezultacie wyciek płynu z osadów powoduje obniżenie ciśnienia porowego w tej strefie. Jednakże przy dekolcie płyn porów pod wysokim ciśnieniem jest uwięziony w nieprzepuszczalnych osadach. Powoduje to niestabilność uszkodzenia i zmniejszone tarcie, co sprzyja propagacji pęknięcia.
Niestabilne osady
Krótko mówiąc, obciążenie tektoniczne i ciśnienie termiczne osadów przemieszczających się wzdłuż podłoża są prawdopodobną przyczyną nieoczekiwanie dużego pęknięcia uskoku podczas trzęsienia ziemi w Tohoku-Oki. Innymi słowy, trzęsienie ziemi w Tohoku-Oki było spowodowane ciśnieniem hydrostatycznym oceanu wywierającym nacisk na osady. To ostatecznie zdestabilizowało osady w skali mikroskopowej, tworząc w ten sposób ruch tektoniczny na dużą skalę.
Gdyby ciśnienie płynu porowego i ciśnienie hydrostatyczne były równe, nie byłoby obciążenia sejsmicznego. Zamiast tego rozbieżność między nimi jest przyczyną dużego poślizgu kosejsmicznego podczas trzęsienia ziemi, gdzie kosejsmika odnosi się do zdarzenia mechanicznego zbiegającego się z aktywnością sejsmiczną.
Naukowcy przeanalizowali efektywne naprężenie ścinające i pionowe w miejscu uskoku, a także stosunek obliczonego do oczekiwanego efektywnego naprężenia pionowego, który duet opisuje jako efektywny stosunek naprężeń. Analiza ta ujawniła skłonność uskoku do poślizgu kosejsmicznego i pęknięcia, gdzie niski efektywny współczynnik naprężeń powodował zarówno poślizg uskoku, jak i powiązane z nim tsunami.
Przemieszczenie poziome
Tłumienie fal wskazuje na naturę astenosfery Ziemi
Na koniec Jamali Hondori i Park doszli do wniosku, że złożone wzorce pęknięć w miejscu uskoku stworzyły warunki, w których ciśnienie płynu w porach odegrało kluczową rolę w dyktowaniu poziomów naprężeń ścinających. W rezultacie naukowcy zwracają uwagę, że to potężne trzęsienie ziemi spowodowało poziome przemieszczenie proporcjonalne do wahań stabilności osadów.
Badania te mają również wpływ na naszą wiedzę na temat uskoków typu décollement, ilustrując znaczenie właściwości osadu pod uskokiem. Możliwe byłoby zbadanie profilu osadów konkretnego uskoku i przewidzenie potężnych trzęsień ziemi przed ich wystąpieniem. Zdolność do prognozowania zagrożeń powodowanych przez naturę byłaby nieoceniona dla ludzi mieszkających na wybrzeżach, zwłaszcza że zmiany klimatyczne zwiększają częstotliwość coraz poważniejszych klęsk żywiołowych.
Badania opisano w Doniesienia naukowe.
