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Neue Erdbebenberechnungen sagen ihre wahrscheinliche Zerstörungskraft voraus

Das Pinball Fault Slide-Modell übernimmt Techniken aus der Lawinenmathematik




Wiederholtes Zittern erschütterte das Zentrum Taiwans viele Tage und Wochen nach dem Erdbeben der Stärke 7,7, das dort 1999 auftrat. Das neue Erdbebenmodell konnte die unterschiedliche Kraft dieser Schocks erklären.

Wenn ein Fehler gleitet , erzeugt er eine ganze Folge verschiedener seismischer Wellen. Lange Wellen mit niedriger Frequenz können sich über eine große Entfernung von der Quelle ausbreiten und hohe Gebäude wie Wolkenkratzer beeinflussen. Hochfrequente Wellen erschüttern Häuser und Brücken perfekt und zerstören sie manchmal vollständig. In den letzten fünfzig Jahren haben Seismologen größtenteils angenommen, dass der gesamte Satz dieser Wellen Reibung erzeugt, die auftritt, wenn der Fehler gleitet.

Nun haben einige Geologen der Brown University ihre eigene Geschichte über den Ursprung der Wellen gegeben. Anhand mathematischer Modelle, die von der Zählung von Erdrutschen und Lawinen inspiriert sind, argumentieren die Forscher, dass diese zerstörerischen Hochfrequenzwellen nicht durch den Schlupf selbst erzeugt werden, sondern durch die geologischen Prozesse, die innerhalb des Fehlers auftreten und an ein Flipperspiel erinnern .

"Sie werden ziemlich hübsch", sagte Elizabeth Cochran , Seismologin beim US Geological Survey. "Es wäre mir sicherlich nicht in den Sinn gekommen, den Fehler so zu beschreiben, wie sie es getan haben."

Das neue Modell, das letzten Monat in der Zeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlicht wurde, muss bei zukünftigen Erdbeben noch getestet werden, um festzustellen, wie genau es ihre Eigenschaften vorhersagt. Wenn dies jedoch bestätigt wird, wird dies unser Verständnis des zerstörerischen Potenzials von Erdbeben umkehren und möglicherweise dazu beitragen, Leben zu retten.

Geologischer Flipper


Nach traditionellen Erdbebenmodellen erzeugt die Reibung zwischen ihnen seismische Wellen, wenn ein Block der Erdkruste zu rutschen beginnt und an einem anderen reibt. Seismologen erkennen die Einfachheit dieser Modelle im Vergleich zu realen Prozessen im Bereich der Verwerfungslinie. Sie beschreiben jedoch genau die niederfrequente Komponente eines Erdbebenwellensatzes - ein kritischer Frühindikator für die Erdbebenstärke und wichtige Informationen.

Traditionelle Modelle sind jedoch nicht in der Lage, die große Anzahl der durch das Erdbeben erzeugten Hochfrequenzwellen zu erklären, sagte Lucille Bruhat, ein Experte für Erdbebenphysik von der Higher Normal School in Paris, der nicht an dieser Studie teilgenommen hat. Dies wird zu einem Problem, wenn Sie herausfinden möchten, warum bestimmte Risse schädlicher sind.

Cochran argumentiert, dass traditionelle Modelle diese hochfrequenten Wellen mit Fehlerschwingungen assoziieren - unvorhersehbare Rissbewegungen, die jetzt auftreten und dann gedämpft werden. Da die Physik des Crackens jedoch sehr schwer zu untersuchen ist, sind solche Annahmen nicht leicht zu bestätigen. "In einem Labor kann man kein Erdbeben verursachen", sagte Robert Graves , Geophysiker beim US Geological Survey, der nicht an dieser Studie teilgenommen hat.


In herkömmlichen Modellen sind hochfrequente Wellen mit Fehlerschwingungen verbunden - unvorhersehbare Rissbewegungen, die manchmal auftreten und dann dämpfen.
Das neue Flipper-Modell spricht von der Kollision verschiedener Steine ​​miteinander, wodurch hochfrequente Wellen erzeugt werden. Die Größe der Steine ​​variiert von wenigen Metern Durchmesser bis zum Fußballplatz.
Lange Wellen mit niedriger Frequenz können sich weit von der Quelle entfernen und hohe Gebäude wie Wolkenkratzer beeinflussen.
Hochfrequente Wellen erschüttern Häuser und Brücken perfekt und zerstören sie manchmal vollständig.

Um diese Wellen besser zu verstehen, Victor Tsai und Greg HirthZwei Geologen der Brown University untersuchten die Mathematik der Trümmerströme - wenn Steine ​​unterschiedlicher Größe regelmäßig miteinander kollidieren. Dann wendeten sie es auf die aufkommenden Fehler an. Es gibt nicht viel freien Platz innerhalb der Verwerfung, daher erinnert das, was passiert, an einen „ballgefüllten Flipper“, sagte Tsai. Bälle sind Steine ​​unterschiedlicher Größe, von mehreren Metern Durchmesser bis zu einem Fußballfeld.

Als Tsai und Hirt diese Menge zu traditionellen Modellen hinzufügten, beschrieb die resultierende Kombination sowohl niederfrequente Wellen als auch ihre hochfrequenten Gegenstücke.

In gewissem Maße kann der Flippermechanismus als Erweiterung traditioneller Vorstellungen angesehen werden, wonach Vorsprünge und Klumpen an Verwerfungswänden für hochfrequente Wellen verantwortlich sind. Tsai und Hirt entwickelten diese Idee jedoch, entwickelten einen speziellen Flippermechanismus und studierten die genaue Mathematik, die sie beschreibt. Sie verwandelten die Annahme in etwas Greifbares und Überprüfbares. Sie "versuchen nicht nur, abstrakte Wissenschaft zu betreiben", sagte Bruhat. "Sie versuchen wirklich, eine physische Idee zu testen und zu sehen, wie sie funktioniert."

Steine ​​und harte Oberflächen


Dieses neue Modell könnte helfen, langjährige seismologische Rätsel zu lösen. Zum Beispiel litt Taiwan 1999 unter einem tödlichen Erdbeben der Stärke 7,7. Bei wiederholten Erschütterungen brachen einige Teile des Fehlers erneut und jedes Mal bewegte sich die Erde in die gleiche Richtung. Das Ausmaß dieser Schocks änderte sich jedoch aus irgendeinem Grund ständig.

Herkömmliche Modelle liefern keine zufriedenstellenden Erklärungen für diese Tatsache. Nach dem neuen „Flipper“ -Modell hängen all diese sich wiederholenden Erschütterungen damit zusammen, dass „Bälle“ derselben Größe denselben Fehlerpunkt treffen und die Erde sich in eine Richtung bewegt. Einige der sich wiederholenden Schocks traten jedoch wahrscheinlich als Ergebnis einer größeren Anzahl gleichzeitiger Treffer auf, weshalb ihre Stärke höher war.

Das neue Modell kann auch erklären, warum Erdbeben bei reifen Fehlern - alte, die viele Male ausgerutscht sind - normalerweise weniger Schaden verursachen als Erdbeben der gleichen Stärke bei neuen Fehlern. Erdbeben der ersten Kategorie mit einer langen Geschichte von Zittern erden ständig ihre großen Fragmente, wodurch weniger Kollisionen in ihnen auftreten und die erzeugten Hochfrequenzwellen schwächer werden.

Graves sagt, wenn das Modell bestätigt wird, können Wissenschaftler die Verwerfungszonen sorgfältig untersuchen und ihre Geometrie verwenden, um die zerstörerischen Hochfrequenzwellen zukünftiger Erdbeben vorherzusagen. Diese Idee kann auch in die andere Richtung wirken: Wenn das Modell eine genauere Beschreibung der Hochfrequenzkomponente des Erdbebens liefert, können Wissenschaftler wahrscheinlich die geometrischen Eigenschaften, die für die Schocks verantwortlich sind, genauer bestimmen, sagte Bruhat.

Um die relativen Vor- und Nachteile der alten und neuen Modelle beurteilen zu können, sind noch viele weitere Erdbebenkaskaden erforderlich, die in Taiwan beobachtet wurden, sowie Schocks aufgrund reifer und unreifer Fehler. Seismologen werden sehen wollen, welche die Beobachtungen, die sie an der Oberfläche erhalten, besser beschreiben.

Das neue Modell sieht jedoch "definitiv faszinierend" aus, sagte Graves. "Ich denke, es ist glaubwürdig und verdient zusätzliche Tests."

"Ich selbst gebe sofort zu, dass es keine Beweise dafür gibt, dass dieses Modell definitiv richtig und das alte definitiv falsch ist", sagte Tsai. Wenn jedoch neue Ideen ihre Überlegenheit beweisen, werden Seismologen gezwungen sein, "ihr Verständnis von Erdbeben zu überdenken".

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