I terremoti possono essere scoppi improvvisi di casa che crolla, l'energia di instabilità del terreno quando le fette della crosta del pianeta tenute a lungo in posizione dall'attrito scivolano improvvisamente e oscillano.

"Di solito pensiamo alle placche su entrambi i lati di una faglia che si muovono, deformare, accumulando stress e poi:boom, accade un terremoto, ", ha detto il geofisico della Stanford University Eric Dunham.

Ma più in profondità, questi blocchi di roccia possono scivolare costantemente l'uno sull'altro, strisciando lungo le crepe della crosta terrestre alla velocità con cui crescono le unghie.

Esiste un confine tra il basso, parte strisciante della colpa, e la parte superiore che può rimanere bloccata per secoli di fila. Per decenni, gli scienziati sono perplessi su ciò che controlla questo confine, i suoi movimenti e il suo rapporto con i grandi terremoti. Il principale tra le incognite è come il fluido e la pressione migrano lungo le faglie, e come questo fa scivolare i difetti.

Un nuovo simulatore di guasti basato sulla fisica sviluppato da Dunham e colleghi fornisce alcune risposte. Il modello mostra come i fluidi che salgono per adattamenti e inizino a indebolire gradualmente la faglia. Nei decenni che hanno preceduto i grandi terremoti, sembrano spingere il confine, o profondità di bloccaggio, un miglio o due in su.

Sciami migratori

La ricerca, pubblicato il 24 settembre in Comunicazioni sulla natura , suggerisce anche che quando gli impulsi dei fluidi ad alta pressione si avvicinano alla superficie, possono innescare sciami di terremoti, stringhe di terremoti raggruppate in un'area locale, di solito più di una settimana o giù di lì. L'agitazione di questi sciami sismici è spesso troppo sottile perché le persone se ne accorgano, ma non sempre:uno sciame vicino all'estremità meridionale della faglia di Sant'Andrea in California nell'agosto 2020, Per esempio, ha prodotto un terremoto di magnitudo 4.6 abbastanza forte da scuotere le città circostanti.

Ciascuno dei terremoti in uno sciame ha la sua sequenza di scosse di assestamento, al contrario di una grande scossa principale seguita da molte scosse di assestamento. "Uno sciame sismico spesso comporta la migrazione di questi eventi lungo una faglia in qualche direzione, orizzontale o verticale, " ha spiegato Dunham, autore senior dell'articolo e professore associato di geofisica presso la Stanford's School of Earth, Scienze energetiche e ambientali (Stanford Earth).

Il simulatore traccia come funziona questa migrazione. Considerando che gran parte della modellazione avanzata dei terremoti degli ultimi 20 anni si è concentrata sul ruolo dell'attrito nello sbloccare le faglie, il nuovo lavoro tiene conto delle interazioni tra fluido e pressione nella zona di faglia utilizzando un metodo semplificato, modello bidimensionale di una faglia che taglia verticalmente l'intera crosta terrestre, simile alla faglia di Sant'Andrea in California.

"Attraverso la modellazione computazionale, siamo stati in grado di individuare alcune delle cause alla radice del comportamento difettoso, ", ha affermato l'autore principale Weiqiang Zhu, uno studente laureato in geofisica a Stanford. "Abbiamo scoperto che il flusso e riflusso della pressione attorno a una faglia può svolgere un ruolo ancora più importante dell'attrito nel determinarne la forza".

Valvole interrate

Le faglie nella crosta terrestre sono sempre sature di fluidi, principalmente acqua, ma acqua in uno stato che offusca le distinzioni tra liquido e gas. Alcuni di questi fluidi hanno origine nel ventre della Terra e migrano verso l'alto; alcuni vengono dall'alto quando la pioggia penetra o gli sviluppatori di energia iniettano fluidi come parte del petrolio, progetti di gas o geotermia. "L'aumento della pressione di quel fluido può spingere sulle pareti della faglia, e facilitare lo scorrimento della colpa, "Dunham ha detto. "Oppure, se la pressione diminuisce, che crea un'aspirazione che unisce le pareti e inibisce lo scorrimento."

Per decenni, gli studi sulle rocce rinvenute nelle zone di faglia hanno rivelato crepe rivelatrici, vene piene di minerali e altri segni che la pressione può fluttuare selvaggiamente durante e tra grandi terremoti, portando i geologi a teorizzare che l'acqua e altri fluidi svolgano un ruolo importante nell'innescare i terremoti e nell'influenzare quando colpiscono i più grandi terremoti. "Le rocce stesse ci dicono che questo è un processo importante, "Dunham ha detto.

Più recentemente, gli scienziati hanno documentato che l'iniezione di fluidi relativa alle operazioni energetiche può portare a sciami sismici. I sismologi hanno collegato pozzi di smaltimento delle acque reflue di petrolio e gas, Per esempio, a un drammatico aumento dei terremoti in alcune parti dell'Oklahoma a partire dal 2009. E hanno scoperto che gli sciami di terremoti migrano lungo le faglie più velocemente o più lentamente in ambienti diversi, che sia sotto un vulcano, intorno a un'operazione geotermica o all'interno di giacimenti di petrolio e gas, probabilmente a causa dell'ampia variazione nei tassi di produzione dei fluidi, ha spiegato Dunham. Ma la modellazione doveva ancora districare la rete di meccanismi fisici dietro i modelli osservati.

Il lavoro di Dunham e Zhu si basa su un concetto di faglie come valvole, che i geologi hanno proposto per la prima volta negli anni '90. "L'idea è che i fluidi salgano lungo le faglie in modo intermittente, anche se questi fluidi vengono rilasciati o iniettati a una velocità costante, tasso costante, "Spiegava Dunham. Nei decenni o migliaia di anni tra i grandi terremoti, la deposizione di minerali e altri processi chimici sigillano la zona di faglia.

Con la valvola di guasto chiusa, il fluido si accumula e la pressione aumenta, indebolire la colpa e costringerla a scivolare. A volte questo movimento è troppo leggero per generare uno scuotimento del terreno, ma basta fratturare la roccia e aprire la valvola, permettendo ai fluidi di riprendere la loro risalita.

La nuova modellazione mostra per la prima volta che mentre questi impulsi viaggiano verso l'alto lungo la faglia, possono creare sciami sismici. "Il concetto di valvola di guasto, e rilascio intermittente di liquidi, è una vecchia idea, "Dunham ha detto. "Ma il verificarsi di sciami sismici nelle nostre simulazioni di valvole di faglia è stato completamente inaspettato".

Predizioni, e i loro limiti

Il modello fa previsioni quantitative su quanto velocemente un impulso di fluidi ad alta pressione migra lungo la faglia, apre i pori, provoca lo scivolamento della faglia e innesca determinati fenomeni:variazioni della profondità di chiusura, in alcuni casi, e movimenti di faglia impercettibilmente lenti o gruppi di piccoli terremoti in altri. Tali previsioni possono quindi essere verificate rispetto all'effettiva sismicità lungo una faglia, in altre parole, quando e dove finiscono per verificarsi terremoti piccoli o lenti.

Ad esempio, una serie di simulazioni, in cui il guasto è stato impostato per sigillare e arrestare la migrazione dei fluidi entro tre o quattro mesi, previsto poco più di un pollice di scivolamento lungo la faglia proprio intorno alla profondità di chiusura nel corso di un anno, con il ciclo che si ripete ogni pochi anni. Questa particolare simulazione corrisponde strettamente ai modelli dei cosiddetti eventi a scorrimento lento osservati in Nuova Zelanda e Giappone, segno che i processi sottostanti e le relazioni matematiche incorporate nell'algoritmo sono sull'obiettivo. Nel frattempo, simulazioni con tenuta trascinata nel corso degli anni hanno causato l'aumento della profondità di bloccaggio mentre gli impulsi di pressione salivano verso l'alto.

I cambiamenti nella profondità di bloccaggio possono essere stimati dalle misurazioni GPS della deformazione della superficie terrestre. Eppure la tecnologia non è un predittore di terremoti, ha detto Dunham. Ciò richiederebbe una conoscenza più completa dei processi che influenzano lo slittamento dei guasti, nonché informazioni sulla particolare geometria della faglia, fatica, composizione della roccia e pressione del fluido, Lui ha spiegato, "a un livello di dettaglio semplicemente impossibile, dato che la maggior parte dell'azione si svolge a molte miglia sottoterra".

Piuttosto, il modello offre un modo per comprendere i processi:come i cambiamenti nella pressione del fluido causano lo scorrimento delle faglie; come lo scivolamento e lo scivolamento di una faglia frantumano la roccia e la rendono più permeabile; e come quella maggiore porosità consente ai fluidi di fluire più facilmente.

Nel futuro, questa comprensione potrebbe aiutare a informare le valutazioni del rischio correlato all'iniezione di fluidi nella Terra. Secondo Dunham, "Le lezioni che apprendiamo su come il flusso di fluidi si accoppia con lo scorrimento per attrito sono applicabili ai terremoti naturali e ai terremoti indotti che si verificano nei giacimenti di petrolio e gas".