Исследование предполагает, что сильный снегопад и дождь могут способствовать некоторым землетрясениям

Когда ученые ищут причину землетрясения, их поиск часто начинается под землей. Как показали столетия сейсмических исследований, именно столкновение тектонических плит и движение подземных разломов и трещин в первую очередь вызывают землетрясения.

Но ученые Массачусетского технологического института теперь обнаружили, что определенные погодные явления также могут играть роль в возникновении некоторых землетрясений.

В исследовании, опубликованном в Достижения наукиИсследователи сообщают, что эпизоды сильного снегопада и дождя, вероятно, способствовали серии землетрясений за последние несколько лет на севере Японии. Исследование впервые показало, что климатические условия могут вызвать некоторые землетрясения.

«Мы видим, что снегопад и другие нагрузки на окружающую среду на поверхности влияют на напряженное состояние под землей, а время интенсивных осадков хорошо коррелирует с началом этого роя землетрясений», — говорит автор исследования Уильям Франк, доцент кафедры Массачусетского технологического института. наук о Земле, атмосфере и планетах (EAPS). «Итак, климат, очевидно, оказывает влияние на реакцию твердой земли, и частью этой реакции являются землетрясения».

Новое исследование посвящено серии продолжающихся землетрясений на японском полуострове Ното. Команда обнаружила, что сейсмическая активность в регионе удивительным образом синхронизируется с определенными изменениями подземного давления, и что на эти изменения влияют сезонные закономерности снегопадов и осадков. Ученые подозревают, что эта новая связь между землетрясениями и климатом может быть не уникальной для Японии и может сыграть роль в сотрясении других частей мира.

Заглядывая в будущее, они прогнозируют, что влияние климата на землетрясения может стать более выраженным с глобальным потеплением.

«Если мы столкнемся с меняющимся климатом, с более экстремальными осадками, и ожидаем перераспределения воды в атмосфере, океанах и континентах, это изменит нагрузку на земную кору», — добавляет Фрэнк. «Это наверняка окажет влияние, и эту связь мы могли бы изучить дальше».

Ведущим автором исследования является бывший научный сотрудник Массачусетского технологического института Цин-Ю Ван (сейчас он работает в Университете Гренобль-Альпы), в него также входят постдок EAPS Синь Цуй, Ян Лу из Венского университета, Такаши Хиросе из Университета Тохоку и Кадзусигэ Обара из Университета Токио.

Сейсмическая скорость

С конца 2020 года сотни небольших землетрясений потрясли японский полуостров Ното — участок суши, который изгибается на север от главного острова страны и впадает в Японское море. В отличие от типичной последовательности землетрясений, которая начинается как главный толчок, который сменяется серией повторных толчков перед тем, как затихнуть, сейсмическая активность Ното представляет собой «рой землетрясений» — структуру множественных продолжающихся землетрясений без очевидного главного толчка или сейсмического триггера. .

Команда Массачусетского технологического института вместе со своими коллегами в Японии стремилась выявить в рое любые закономерности, которые могли бы объяснить постоянные землетрясения. Они начали с просмотра каталога землетрясений Японского метеорологического агентства, в котором представлены данные о сейсмической активности по всей стране с течением времени. Они сосредоточили свое внимание на землетрясениях на полуострове Ното за последние 11 лет, в течение которых в регионе наблюдались эпизодические землетрясения, в том числе самая последняя волна землетрясений.

Используя сейсмические данные из каталога, команда подсчитала количество сейсмических событий, произошедших в регионе с течением времени, и обнаружила, что землетрясения до 2020 года были спорадическими и несвязанными по сравнению с концом 2020 года, когда землетрясения становились более интенсивными и группировались. во времени, сигнализируя о начале роя, с землетрясениями, которые каким-то образом коррелируют.

Затем ученые обратились к второму набору данных сейсмических измерений, проведенных станциями мониторинга за тот же 11-летний период. Каждая станция постоянно фиксирует любое происходящее смещение или местное сотрясение. Сотрясение от одной станции к другой может дать ученым представление о том, как быстро сейсмическая волна распространяется между станциями. Эта «сейсмическая скорость» связана со структурой Земли, через которую распространяется сейсмическая волна. Ван использовал измерения станции для расчета сейсмической скорости между каждой станцией в Ното и его окрестностях за последние 11 лет.

Исследователи создали развивающуюся картину сейсмической скорости под полуостровом Ното и заметили удивительную закономерность: в 2020 году, когда предположительно начался рой землетрясений, изменения сейсмической скорости, по-видимому, были синхронизированы с сезонами.

«Затем нам пришлось объяснить, почему мы наблюдаем эти сезонные колебания», — говорит Фрэнк.

Давление снега

Команда задавалась вопросом, могут ли изменения окружающей среды от сезона к сезону повлиять на основную структуру Земли таким образом, чтобы вызвать серию землетрясений. В частности, они изучили, как сезонные осадки повлияют на подземное «давление поровой жидкости» — величину давления, которое жидкости в трещинах и трещинах Земли оказывают внутри коренных пород.

«Когда идет дождь или снег, это увеличивает вес, что увеличивает поровое давление, что позволяет сейсмическим волнам проходить через них медленнее», — объясняет Фрэнк. «Когда весь этот вес удаляется посредством испарения или стока, внезапно поровое давление уменьшается, а сейсмические волны возникают быстрее».

Ван и Цуй разработали гидромеханическую модель полуострова Ното для моделирования глубинного порового давления за последние 11 лет в ответ на сезонные изменения количества осадков. Они ввели в модель метеорологические данные за тот же период, включая измерения ежедневного количества снега, осадков и изменений уровня моря.

С помощью своей модели они смогли отследить изменения избыточного порового давления под полуостровом Ното до и во время серии землетрясений. Затем они сравнили эту временную шкалу изменения порового давления со своей развивающейся картиной сейсмической скорости.

«У нас были наблюдения за сейсмической скоростью, и у нас была модель избыточного порового давления, и когда мы наложили их друг на друга, мы увидели, что они очень хорошо подходят друг другу», — говорит Фрэнк.

В частности, они обнаружили, что когда они включали данные о снегопадах, и особенно об экстремальных снегопадах, соответствие между моделью и наблюдениями было сильнее, чем если бы они учитывали только дожди и другие явления. Другими словами, продолжающаяся волна землетрясений, с которой столкнулись жители Ното, может быть частично объяснена сезонными осадками и, в частности, обильными снегопадами.

«Мы видим, что время этих землетрясений очень хорошо совпадает с несколькими случаями, когда мы видели интенсивные снегопады», — говорит Фрэнк. «Это хорошо коррелирует с землетрясениями. И мы думаем, что между ними существует физическая связь».

Исследователи подозревают, что сильный снегопад и подобные экстремальные осадки могут сыграть роль в землетрясениях в других местах, хотя они подчеркивают, что основной триггер всегда будет возникать под землей.

«Когда мы впервые хотим понять, как происходят землетрясения, мы обращаем внимание на тектонику плит, потому что это есть и всегда будет основной причиной, по которой происходят землетрясения», — говорит Фрэнк. «Но какие еще факторы могут повлиять на то, когда и как произойдет землетрясение? Именно тогда вы начинаете переходить к контролирующим факторам второго порядка, и климат, очевидно, является одним из них».

Эта история переиздана благодаря MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярному сайту, на котором освещаются новости об исследованиях, инновациях и преподавании MIT.