حرکت صفحات تکتونیکی تنش را طی قرن‌ها افزایش می‌دهد، اما تغییرات آب‌های زیرزمینی، زلزله‌های مجاور و تزریق سیالات می‌توانند گسل آماده را فعال کنند.
- حرکت صفحات تکتونیکی طی قرن‌ها تنش را در گسل‌ها انباشته می‌کند، اما زمان شکست را مشخص نمی‌کند.
- تغییرات آب‌های زیرزمینی، زلزله‌های مجاور و امواج لرزه‌ای می‌توانند گسل‌های نزدیک به شکست را تحریک کنند.
- تزریق سیالات زیرزمینی نیز می‌تواند با افزایش فشار، زمین‌لرزه‌های القایی ایجاد کند؛ در حالی که جزرومد ماه در بررسی کالیفرنیا اثر معناداری نشان نداد.
حرکت صفحات تکتونیکی می‌تواند طی قرن‌ها تنش را در گسل‌ها افزایش دهد، اما نیروهای محرک زلزله فقط به این فرایند محدود نمی‌شوند. پژوهش‌های جدید نشان می‌دهند چرخه‌های آب زیرزمینی، تغییر تنش ناشی از زلزله‌های مجاور و تزریق سیالات در اعماق زمین نیز می‌توانند گسلی را که در آستانه شکست قرار دارد، به حرکت وادارند؛ در حالی که کشش‌های ناشی از جزرومد ماه در بررسی‌های کالیفرنیا اثر معناداری نشان نداده‌اند.
قرن‌ها انباشت تنش، چند ثانیه لغزش
حرکت صفحات تکتونیکی عامل اصلی انباشت تدریجی تنش در پوسته زمین است. در مرز میان صفحه اقیانوس آرام و صفحه آمریکای شمالی، پوسته زمین سالانه چند سانتی‌متر جابه‌جا می‌شود، اما بخش‌هایی از گسل به دلیل اصطکاک قفل می‌مانند. در نتیجه، کرنش در سنگ‌ها انباشته می‌شود.
پژوهشگران دانشگاه هاوایی در مانوا با مدل‌سازی هزار سال گذشته در گسل‌های جنوبی سن‌آندریاس و سن‌جاسینتو دریافتند که تنش در چند بخش از این سامانه اکنون به سطحی رسیده یا از سطحی فراتر رفته است که شبیه‌سازی آنها طی یک هزاره نشان داده بود.
لیلیان بورکهارد، نویسنده اصلی این پژوهش، این سامانه گسلی را «به‌شدت تحت بار تنشی» توصیف کرده است. پژوهشگران همچنین به گذرگاه کاجون، محل اتصال گسل‌ها در حدود ۹۷ کیلومتری شمال‌شرق مرکز لس‌آنجلس، اشاره کرده‌اند. از نگاه آنها، این منطقه می‌تواند مانند دروازه‌ای عمل کند که مانع عبور یک گسیختگی شود یا اجازه دهد گسیختگی به گسل مجاور منتقل شود.
با این حال، انباشت تنش تنها نشان می‌دهد یک گسل برای شکست آماده شده است و نمی‌تواند زمان وقوع زلزله را مشخص کند. فرایندی مشابه در ناحیه فرورانش کاسکادیا نیز جریان دارد؛ جایی که صفحه خوان دِ فوکا با سرعتی تقریباً معادل رشد یک ناخن در سال، به زیر آمریکای شمالی حرکت می‌کند.
چگونه یک زلزله می‌تواند زلزله دیگری را آغاز کند؟
هر گسیختگی، میدان تنش اطراف خود را تغییر می‌دهد. برخی بخش‌های گسل به نقطه شکست نزدیک‌تر می‌شوند، در حالی که تنش از برخی بخش‌های دیگر کاسته می‌شود. همین تغییرات می‌تواند بخش مهمی از الگوی پس‌لرزه‌ها را توضیح دهد.
نمونه قابل توجه آن زلزله‌ای با بزرگای ۷.۷ در میانمار است که در ۲۸ مارس ۲۰۲۵ رخ داد. پژوهشگران چینی محاسبه کردند که این گسیختگی در پنج قطعه گسل در جنوب‌غربی استان یون‌نان، تا سه کیلوپاسکال تنش ایجاد کرده است.
سه کیلوپاسکال در مقایسه با فشار جوی حدود ۱۰۰ کیلوپاسکال مقدار زیادی نیست. با این حال، وقتی یک گسل از قبل در آستانه شکست قرار داشته باشد، همین تغییر کوچک نیز می‌تواند کافی باشد.
امواج لرزه‌ای نیز می‌توانند در فاصله‌های بسیار دور چنین اثری ایجاد کنند. امواج ناشی از یک گسیختگی بزرگ ممکن است هنگام عبور، زمین‌لرزه‌های کوچک‌تری را در هزاران کیلومتر دورتر تحریک کنند. زلزله‌شناسان این پدیده را تحریک دینامیکی می‌نامند.
پس از زلزله میانمار، فعالیت‌های لرزه‌ای بسیار کوچک در نزدیکی مرز تایلند و همچنین مناطق زمین‌گرمایی جنوب چین افزایش یافت؛ حتی در مناطقی که تغییر تنش ایستا اندکی منفی بود.
آب چگونه روی گسل اثر می‌گذارد؟
آب موجود روی سطح زمین می‌تواند پوسته زیر خود را تحت فشار قرار دهد. انباشت برف و آب‌های زیرزمینی در کالیفرنیا به اندازه‌ای نیرو ایجاد می‌کند که حرکت عمودی زمین را تغییر دهد. این تغییر در طول یک سال می‌تواند به حدود ۰.۴ اینچ، معادل یک سانتی‌متر، برسد.
کریتانون سی‌روراتاناکول و ژان-فیلیپ آوواک از مؤسسه فناوری کالیفرنیا، این چرخه را با داده‌های ثبت‌شده از زمین‌لرزه‌های کالیفرنیا مقایسه کردند. مناطقی که بیشترین نوسان سطح آب زیرزمینی را داشتند، بزرگ‌ترین تغییرات فصلی در فعالیت لرزه‌ای را نیز نشان دادند. این اثر در شمال کالیفرنیا به حدود ۱۰ درصد رسید.
اما نکته مهم‌تر، زمان‌بندی این تغییرات بود. بیشترین فعالیت لرزه‌ای تقریباً نیم ماه پس از رسیدن تنش آب به اوج خود رخ داد.
این تأخیر نشان می‌دهد گسل‌ها لزوماً در همان لحظه‌ای که تنش به آنها وارد می‌شود، نمی‌شکنند. مدل‌هایی که شکست فوری گسل پس از اعمال تنش را فرض می‌کردند، واکنش مشاهده‌شده را بیش از حد برآورد کردند. در مقابل، مدل‌های اصطکاکی که نوعی تأخیر در فرایند شکست در نظر می‌گیرند، هم اندازه اثر و هم زمان‌بندی آن را بهتر توضیح دادند.
سی‌روراتاناکول، نویسنده اصلی پژوهش و دانش‌آموخته پیشین Caltech، گفت این مطالعه فرصت تازه‌ای برای محدود کردن بهتر مدل‌های آغازشدن زلزله فراهم می‌کند.
چرا جزرومد ماه عامل اصلی نیست؟
ماه روزانه دو بار باعث تغییر شکل جزئی زمین جامد می‌شود. تنش جزرومدی واردشده بر گسل‌های کالیفرنیا تقریباً هم‌اندازه تنش فصلی ناشی از آب است. به همین دلیل، جزرومد ماه یکی از گزینه‌های طبیعی برای توضیح تحریک زلزله‌ها به شمار می‌رفت.
اما داده‌ها چنین ارتباطی را تأیید نکردند. پژوهشگران با وجود در اختیار داشتن مجموعه داده‌ای به اندازه کافی بزرگ برای شناسایی چنین الگویی، هیچ سیگنال معنادار ۱۲ ساعته‌ای در فعالیت لرزه‌ای کالیفرنیا پیدا نکردند.
دلیل احتمالی، تفاوت در زمان‌بندی است. یک فشار ۱۲ ساعته پیش از آنکه گسل فرصت کافی برای طی کردن فرایند آغاز شکست را داشته باشد، ایجاد شده و از بین می‌رود. در نتیجه، اثر فشار و آزادشدن آن در مجموع خنثی می‌شود.
آوواک می‌گوید تغییرات تنش ناشی از جزرومد، از دید گسل در نهایت میانگین‌گیری و خنثی می‌شوند.
انسان‌ها نیز می‌توانند گسل‌ها را تحریک کنند
فعالیت‌های انسانی نیز می‌توانند وضعیت تنش در گسل‌ها را تغییر دهند. پس از سال ۲۰۰۹، تعداد زمین‌لرزه‌های با بزرگای ۳ در ایالت اوکلاهما از چند مورد در سال به صدها مورد رسید.
عامل اصلی، خود عملیات حفاری نبود؛ بلکه آب شور همراه نفت بود که از چاه‌ها خارج می‌شد. در برخی مناطق اوکلاهما، به ازای هر گالن نفت تقریباً ۱۰ گالن آب شور تولید می‌شد. این آب سپس به سازند عمیق آرباکل تزریق می‌شد و فشار سیال را روی گسل‌هایی که چندین کیلومتر زیر سطح زمین قرار داشتند، افزایش می‌داد.
سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده اعلام کرده است که تنها حدود یک تا دو درصد از زمین‌لرزه‌های القایی اوکلاهما به عملیات شکست هیدرولیکی مربوط می‌شود. بیشتر این زمین‌لرزه‌ها به چاه‌های دفع آب شور نسبت داده می‌شوند؛ زیرا این چاه‌ها برای مدت طولانی‌تری فعالیت می‌کنند و حجم بسیار بیشتری سیال دریافت می‌کنند.
با کاهش حجم تزریق و مسدود شدن برخی چاه‌ها توسط نهادهای نظارتی، نرخ زمین‌لرزه‌ها کاهش یافت. با این حال، مسئله به مناطق دیگری منتقل شد. حوضه پرمین در غرب تگزاس و جنوب‌شرقی نیومکزیکو از سال ۲۰۲۰ تاکنون شش زمین‌لرزه با بزرگای ۵ یا بیشتر را تجربه کرده است.
این یافته‌ها چه معنایی برای پیش‌بینی زلزله دارند؟
این یافته‌ها هنوز امکان تعیین تاریخ وقوع یک زلزله را فراهم نمی‌کنند. پیش‌بینی زمین‌لرزه به معنای تعیین زمان و مکان دقیق آن همچنان خارج از دسترس است. آنچه پژوهشگران می‌توانند انجام دهند، بررسی نرخ وقوع زمین‌لرزه‌ها و محاسبه احتمال وقوع آنها در بازه‌های زمانی چندساله است.
مطالعه چرخه‌های فصلی آب یک ابزار اندازه‌گیری جدید در اختیار پژوهشگران قرار می‌دهد. آنها می‌دانند چرخه آب چه میزان تنش ایجاد می‌کند و می‌توانند واکنش فعالیت لرزه‌ای به این تنش را بررسی کنند. از این طریق می‌توان برخی ویژگی‌های اصطکاکی گسل‌ها را که دسترسی مستقیم به آنها ممکن نیست، برآورد کرد.
در این پژوهش، یکی از پارامترهای کلیدی در محدوده یک تا ۱۰ کیلوپاسکال تعیین شد. چنین داده‌هایی مستقیماً در مدل‌های ارزیابی خطر زلزله کاربرد دارند.
این یافته‌ها برای برنامه‌ریزی میدان‌های جدید نفت و گاز نیز اهمیت دارند. برداشت سیال از بالای یک گسل می‌تواند وضعیت تنش آن را تغییر دهد، همان‌طور که تزریق سیال نیز چنین اثری دارد.
از سوی دیگر، کاهش سریع آب‌های زیرزمینی نیز با خطر لرزه‌ای ارتباط پیدا می‌کند. کاهش ذخایر آب زیرزمینی در دره مرکزی کالیفرنیا و دیگر حوضه‌هایی که برداشت آب در آنها شدید است، بار واردشده بر پوسته زمین را تغییر می‌دهد؛ گسل‌ها نیز ظاهراً به این تغییرات واکنش نشان می‌دهند.
پژوهش کامل در نشریه Science Advances منتشر شده است.
سؤالات متداول
مهم‌ترین عامل انباشت تنش در گسل‌ها چیست؟
حرکت صفحات تکتونیکی باعث انباشت تدریجی کرنش و تنش در گسل‌ها می‌شود.
آیا آب‌های زیرزمینی می‌توانند باعث تغییر فعالیت لرزه‌ای شوند؟
بله. پژوهش در کالیفرنیا نشان داد مناطقی با نوسان بیشتر سطح آب زیرزمینی، تغییرات فصلی بیشتری در فعالیت لرزه‌ای دارند.
آیا یک زلزله می‌تواند زلزله‌های دیگری را تحریک کند؟
بله. تغییر میدان تنش و عبور امواج لرزه‌ای می‌تواند برخی گسل‌های نزدیک یا حتی دور را به سمت شکست سوق دهد.
آیا جزرومد ماه باعث وقوع زلزله می‌شود؟
در بررسی فعالیت لرزه‌ای کالیفرنیا، سیگنال معنادار ۱۲ ساعته ناشی از جزرومد ماه مشاهده نشد.
آیا فعالیت‌های انسانی می‌توانند زمین‌لرزه ایجاد کنند؟
بله. تزریق سیالات به اعماق زمین می‌تواند فشار سیال روی گسل‌ها را افزایش دهد و به ایجاد زمین‌لرزه‌های القایی منجر شود.
جمع‌بندی
نیروهای محرک زلزله تنها به حرکت صفحات تکتونیکی محدود نمی‌شوند. یک گسل ممکن است طی قرن‌ها تحت تنش قرار گیرد، اما تغییرات کوچک ناشی از آب‌های زیرزمینی، زلزله‌های دیگر یا فشار سیالات تزریق‌شده بتواند آن را به آستانه شکست برساند. این یافته‌ها به دانشمندان کمک می‌کند رفتار گسل‌ها را بهتر درک کنند، هرچند هنوز امکان تعیین دقیق زمان وقوع زلزله وجود ندارد.
برای آشنایی با تازه‌ترین یافته‌های علمی درباره زمین، گسل‌ها و زلزله‌ها، مقالات علمی مرتبط را دنبال کنید.
