Get best of the week

تتوقع حسابات الزلازل الجديدة تدميرها المحتمل

يأخذ نموذج الشريحة خطأ الكرة والدبابيس على تقنيات من الرياضيات الانهيار




هزت الزلازل المتكررة مركز تايوان لعدة أيام وأسابيع بعد الزلزال الذي بلغت قوته 7.7 ، والذي وقع هناك في عام 1999. تمكن نموذج الزلزال الجديد من تفسير القوة المختلفة لهذه الصدمات.

عندما ينزلق خطأ ، فإنه يولد سلسلة كاملة من موجات الزلازل المختلفة. يمكن أن تنتشر الموجات الطويلة ذات التردد المنخفض على مسافة كبيرة من المصدر وتتأرجح المباني العالية مثل ناطحات السحاب. موجات عالية التردد تهز المنازل والجسور بشكل مثالي ، وأحيانًا تدمرها تمامًا. في معظم السنوات الخمسين الماضية ، افترض علماء الزلازل أن المجموعة الكاملة من هذه الموجات تولد احتكاكًا يحدث عندما ينزلق الخطأ.

الآن ، قدم زوجان من الجيولوجيين من جامعة براون تاريخهما الخاص لأصل الأمواج. باستخدام النماذج الرياضية المستوحاة من حساب الانهيارات الأرضية والانهيارات الثلجية ، يجادل الباحثون بأن هذه الموجات المدمرة عالية التردد لا تتولد من الانزلاق نفسه ، ولكن من خلال العمليات الجيولوجية التي تحدث داخل الصدع ، تذكرنا بلعبة الكرة والدبابيس .

قالت إليزابيث كوكران ، أخصائي الزلازل في هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية: "إنهم يتمتعون بجمال جميل" . "بالتأكيد لم يكن لي أن أصف الخطأ كما فعلوا."

النموذج الجديد ، الذي نشر الشهر الماضي في مجلة Geophysical Research Letters ، سيظل بحاجة إلى اختباره في الزلازل المستقبلية لمعرفة مدى دقة توقعه لخصائصه. ومع ذلك ، إذا تم تأكيد ذلك ، فإنه سيعكس فهمنا للإمكانات المدمرة للزلازل ، وربما يساعد في إنقاذ الأرواح.

الكرة والدبابيس الجيولوجية


وفقًا للنماذج التقليدية للزلازل ، عندما تبدأ كتلة من قشرة الأرض في الانزلاق والفرك على أخرى ، فإن الاحتكاك بينها يولد موجات زلزالية. يدرك علماء الزلازل بساطة هذه النماذج مقارنة بالعمليات الحقيقية التي تحدث في منطقة خط الصدع. ومع ذلك ، فإنهم يصفون بدقة مكون التردد المنخفض لمجموعة موجات الزلازل - وهو مؤشر مبكر حاسم لحجم الزلزال والمعلومات الحيوية.

وقال لوسيل بروهات إن النماذج التقليدية غير قادرة على تفسير العدد الكبير من الموجات عالية التردد الناتجة عن الزلزال .، خبير في فيزياء الزلازل من المدرسة العليا العادية في باريس ، الذي لم يشارك في هذه الدراسة. تصبح هذه مشكلة عندما تحاول معرفة سبب حدوث تشققات معينة أكثر ضررا.

يجادل كوكران بأن النماذج التقليدية تربط هذه الموجات عالية التردد مع تذبذبات الأخطاء - حركات تصدع غير متوقعة ، تنشأ في بعض الأحيان ، ثم تتحلل. ومع ذلك ، نظرًا لأنه من الصعب جدًا دراسة فيزياء التكسير ، فإن هذه الافتراضات ليس من السهل تأكيدها. قال روبرت جريفز ، الجيوفيزيائي في هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية ، الذي لم يشارك في هذه الدراسة: "لا يمكنك إحداث زلزال في مختبر" .


في النماذج التقليدية ، ترتبط الموجات عالية التردد بتذبذبات الخطأ - حركات تصدع غير متوقعة ، تظهر في بعض الأحيان ، ثم تخميد.
يتحدث نموذج "الكرة والدبابيس" الجديد عن اصطدام الأحجار المختلفة مع بعضها البعض ، مما يولد موجات عالية التردد. يختلف حجم الأحجار من بضعة أمتار في القطر إلى ملعب كرة القدم.
يمكن للموجات الطويلة ذات التردد المنخفض أن تسافر لمسافة طويلة من المصدر وتتأرجح المباني العالية مثل ناطحات السحاب.
موجات عالية التردد تهز المنازل والجسور بشكل مثالي ، وأحيانًا تدمرها تمامًا.

لفهم أفضل لهذه الموجات، فيكتور تساي و جريج HIRTHدرس جيولوجيان من جامعة براون رياضيات تدفقات الحطام - عندما تصطدم الأحجار ذات الأحجام المختلفة بشكل دوري مع بعضها البعض. ثم قاموا بتطبيقه على الأخطاء الناشئة. وقال تساي إنه لا توجد مساحة خالية كبيرة داخل الخطأ ، لذا فإن ما يحدث يذكرنا بـ "آلة الكرة والدبابيس المملوءة بالكرة". الكرات عبارة عن أحجار بأحجام مختلفة ، من قطر عدة أمتار إلى ملعب لكرة القدم.

عندما أضاف Tsai و Hirt هذا الحشد إلى النماذج التقليدية ، وصفت المجموعة الناتجة الموجات منخفضة التردد ونظرائهم عالي التردد.

إلى حد ما ، يمكن اعتبار آلية الكرة والدبابيس امتدادًا للأفكار التقليدية التي تكون النتوءات والكتل الموجودة على جدران الصدع مسؤولة عن الموجات عالية التردد. ومع ذلك ، طور تساي وهيرث هذه الفكرة ، وطوروا آلية خاصة بالدبابيس ودرسوا الرياضيات الدقيقة التي تصفها. حولوا الافتراض إلى شيء ملموس ويمكن التحقق منه. وقال بروهات إنهم لا "يحاولون فقط القيام بالعلوم المجردة". "إنهم يحاولون حقًا اختبار فكرة فيزيائية ومعرفة كيف تعمل."

الأحجار والأسطح الصلبة


يمكن أن يساعد هذا النموذج الجديد في حل الألغاز الزلزالية القديمة. على سبيل المثال ، في عام 1999 ، عانت تايوان من زلزال قاتل بلغت قوته 7.7. أثناء الصدمات المتكررة ، تصدع بعض أجزاء الصدع مرة أخرى ، وفي كل مرة تحركت الأرض في نفس الاتجاه. ومع ذلك ، كان حجم هذه الصدمات يتغير باستمرار لسبب ما.

لا تقدم النماذج التقليدية تفسيرات مرضية لهذه الحقيقة. ولكن وفقًا لنموذج "الكرة والدبابيس" الجديد ، فإن كل هذه الصدمات المتكررة ترتبط بحقيقة أن "الكرات" من نفس الحجم تصطدم بنفس نقطة الخطأ ، مما يتسبب في تحرك الأرض في اتجاه واحد. ومع ذلك ، ربما حدثت بعض الصدمات المتكررة نتيجة لعدد أكبر من الضربات المتزامنة ، وهذا هو السبب في أن حجمها كان أعلى.

يمكن أن يفسر النموذج الجديد أيضًا سبب الزلازل التي تحدث على أخطاء ناضجة - الزلازل القديمة التي انزلقت عدة مرات - عادةً ما تؤدي إلى أضرار أقل من الزلازل من نفس الحجم على الأعطال الجديدة. الزلازل من الفئة الأولى التي لها تاريخ طويل من الهزات تقوم باستمرار بتأريض شظاياها الكبيرة ، التي تحدث فيها تصادمات أقل فيها ، وتصبح الموجات عالية التردد الناتجة أضعف.

يقول جريفز إنه إذا تم تأكيد النموذج ، فيمكن للعلماء أن يدرسوا بعناية مناطق الصدع ويستخدموا هندستها للتنبؤ بالموجات المدمرة عالية التردد للزلازل المستقبلية. يمكن أن تعمل هذه الفكرة أيضًا في الاتجاه الآخر: إذا قدم النموذج وصفًا أكثر دقة لمكون الزلزال عالي التردد ، فمن المرجح أن يتمكن العلماء من تحديد الخصائص الهندسية المسؤولة عن الصدمات بدقة أكبر ، على حد قول بروهات.

سيستغرق الأمر المزيد من سلاسل الزلازل المماثلة التي تم رصدها في تايوان - بالإضافة إلى الصدمات الناتجة عن أخطاء ناضجة وغير ناضجة على حد سواء - لتقييم الإيجابيات والسلبيات النسبية للنماذج القديمة والجديدة. سيرغب علماء الزلازل في معرفة أي منها يصف بشكل أفضل الملاحظات التي سيحصلون عليها على السطح.

ومع ذلك ، يبدو النموذج الجديد "مثيرًا للاهتمام بالتأكيد" ، قال جريفز. "أعتقد أنه يمكن تصديقه ويستحق اختبارات إضافية."

قال تساي: "أنا بنفسي أعترف على الفور أنه لا يوجد دليل على أن هذا النموذج صحيح بالتأكيد ، وأن النموذج القديم خاطئ بالتأكيد". ومع ذلك ، إذا أثبتت الأفكار الجديدة تفوقها ، فسوف تجبر علماء الزلازل على "إعادة التفكير في فهمهم للزلازل".

More articles:


All Articles