زلزلههایی که در اعماق زمین رخ میدهند، معمولاً از محدودیتهای فیزیکی سختگیرانهای پیروی میکنند. گرما، فشار، و نرمی سنگها اغلب مانع از گسترش طولانی و سریع گسیختگی میشوند. با این حال، در ژوئیه ۲۰۲۴، یک زلزله قدرتمند در شمال شیلی بسیاری از فرضیات دیرینه درباره زلزلههای عمیق را به چالش کشید.
در این رویداد، یک فرآیند پنهان و وابسته به گرما باعث شد گسیختگی زلزله بسیار عمیقتر، و سریعتر از آنچه مدلهای استاندارد پیشبینی میکنند، گسترش یابد و انرژی بسیار بیشتری آزاد شود.
زلزله ۷.۴ ریشتری کالاما چه تفاوتی داشت
در تاریخ ۱۹ ژوئیه ۲۰۲۴، زلزلهای با بزرگای ۷.۴ در نزدیکی شهر کالاما در شمال شیلی رخ داد. این زمینلرزه موجب آسیب به ساختمانها و اختلال در شبکه برق شد. هرچند شیلی کشوری زلزلهخیز است، اما بیشتر زلزلههای مخرب آن در نزدیکی سطح زمین اتفاق میافتند.
زلزله کالاما متفاوت بود، زیرا گسیختگی آن در عمق بسیار زیاد، درون یک صفحه تکتونیکی در حال فرورانش، آغاز شد.
شیلی و سابقه زلزلههای شدید
شیلی بر روی یک زون فرورانش فعال قرار دارد؛ جایی که صفحه نازکا به زیر آمریکای جنوبی میلغزد. حرکت مداوم در مرز صفحات تکتونیکی باعث وقوع زلزلههای مکرر میشود. در سال ۱۹۶۰، مرکز شیلی شاهد زلزلهای با بزرگای ۹.۵ بود که قویترین زلزله ثبتشده در تاریخ به شمار میرود.
اکثر زلزلههای مخرب شیلی در عمق کم و نزدیک مرز صفحات رخ میدهند. اما زلزله کالاما در عمقی حدود ۱۲۵ کیلومتر درون صفحه اقیانوسی اتفاق افتاد.
زلزلههایی در چنین عمقی معمولاً لرزش ضعیفتری در سطح زمین ایجاد میکنند، اما کالاما این الگو را شکست.
چرا زلزلههای عمیق رخ میدهند
زلزلههایی که در عمق ۷۰ تا ۳۰۰ کیلومتری زمین رخ میدهند، در دسته زلزلههای با عمق متوسط قرار میگیرند. در این اعماق، گرما و فشار معمولاً مانع از شکست ناگهانی سنگها میشوند.
برای دههها، پژوهشگران بیشتر زلزلههای این محدوده عمقی را به پدیدهای به نام شکنندگی ناشی از آبزدایی نسبت میدادند.
نقش آبزدایی در زلزلههای عمیق
زمانی که یک صفحه اقیانوسی سرد به درون گوشته فرو میرود، کانیهایی مانند سرپانتین آب را در ساختار بلوری خود نگه میدارند. با افزایش دما و فشار، این آب آزاد میشود. آب آزادشده فشار داخلی سنگ را افزایش میدهد، پیوندهای معدنی را تضعیف میکند و امکان ترکخوردگی ناگهانی را فراهم میسازد.
مطالعات آزمایشگاهی نشان میدهند این مکانیسم تا دمای حدود ۶۵۰ درجه سانتیگراد مؤثر است. بالاتر از این دما، سنگها رفتاری شبیه مواد نرم پیدا میکنند و در برابر شکست ناگهانی مقاومت نشان میدهند. به همین دلیل، تصور میشد گسیختگی زلزله در این مرز حرارتی متوقف شود.
لغزش سریعتر، گرمای بیشتر
زلزله کالاما این محدودیت را نقض کرد. تحلیلهای لرزهای نشان داد گسیختگی زلزله حدود ۵۰ کیلومتر عمیقتر از حد انتظار پیش رفت و وارد نواحی با دمای بالاتر از ۶۵۰ درجه سانتیگراد شد.
پژوهشگران مکانیسم دومی به نام فرار حرارتی برشی را شناسایی کردند. در جریان گسیختگی، اصطکاک شدید روی سطح گسل گرمای بسیار زیادی تولید میکند. این گرما سنگهای اطراف را بیش از پیش تضعیف میکند و یک چرخه بازخوردی ایجاد میشود.
لغزش سریعتر گرمای بیشتری تولید میکند، و گرمای بیشتر امکان لغزش سریعتر را فراهم میسازد. در نتیجه، گسیختگی به جای توقف، شتاب میگیرد.
«این رویدادهای شیلی لرزشهایی بسیار قویتر از حد انتظار برای زلزلههای با عمق متوسط ایجاد میکنند و میتوانند بسیار مخرب باشند.»
ژِه جیا، استادیار پژوهشی دانشگاه تگزاس در آستین
او افزود:
«این نخستین باری است که میبینیم یک زلزله با عمق متوسط، از یک ناحیه سرد به ناحیهای بسیار داغ وارد میشود و با سرعتی بسیار بالاتر گسترش مییابد. این نشان میدهد مکانیسم زلزله از آبزدایی به فرار حرارتی تغییر کرده است.»
گسیختگی مرحلهبهمرحله زلزله
دادههای لرزهای نشان دادند گسیختگی بهصورت یک حرکت یکنواخت رخ نداد. در عوض، چندین زیررویداد بهصورت پیاپی فعال شدند.
- مرحله اولیه در عمق حدود ۱۲۵ کیلومتری، در هسته سرد صفحه فرورانش آغاز شد.
- مراحل بعدی تا عمق حدود ۱۷۰ کیلومتری، در نواحی بسیار گرمتر، گسترش یافتند.
بخشهای ابتدایی تنها سهم اندکی از انرژی کل را آزاد کردند، اما پسلرزههای زیادی به همراه داشتند. در مقابل، بخشهای عمیقتر بیشترین انرژی را آزاد کردند و پسلرزههای کمتری ایجاد شد.
این الگو با نظریه فرار حرارتی سازگار است، زیرا گرمای شدید، تنش باقیماندهای را که معمولاً موجب پسلرزه میشود، از بین میبرد.
گسیختگی عمدتاً به سمت پایین و در امتداد یک صفحه گسلی پرشیب حرکت کرد، نه بهصورت افقی.
سرعت متوسط گسیختگی به حدود ۴.۲ کیلومتر بر ثانیه رسید که نزدیک به سرعت موج برشی است. چنین سرعت بالایی در زلزلههای با عمق متوسط بسیار نادر محسوب میشود.
چگونه دما مسیر زلزله را تعیین کرد
پژوهشگران با استفاده از مدلهای حرارتی منطقه فرورانش شیلی، دمای نواحی مختلف گسیختگی را برآورد کردند. این مدلها نشان دادند هسته سرد صفحه فرورانش نسبتاً نازک است.
طول گسیختگی از ضخامت این هسته سرد فراتر رفت و ناچار وارد نواحی گرمتر شد.
برخی کانیهای دیگر مانند کلریت و تالک نیز آب آزاد میکنند، اما مقدار آنها کمتر است و در دماهای پایینتری فعال میشوند. بنابراین، زمانی که گسیختگی وارد نواحی بسیار گرم شد، آبزدایی بهتنهایی نمیتوانست ادامه شکست را توضیح دهد.
فرار حرارتی توضیحی منطقی برای تداوم گسیختگی در دماهای بالا ارائه داد؛ جایی که گرمای ناشی از اصطکاک، سنگها را بهاندازهای تضعیف میکند که لغزش حتی در نواحی بهطور معمول پایدار نیز امکانپذیر میشود.
چرا برآورد ریسک زلزله تغییر میکند
«این واقعیت که یک زلزله بزرگ دیگر در شیلی دیرکرد دارد، باعث شده پژوهشهای لرزهای و استقرار لرزهسنجها و ایستگاههای ژئودتیک برای پایش تغییرشکل پوسته زمین افزایش یابد.»
تورستن و. بکر، استاد دانشگاه
زلزله کالاما نشان داد زلزلههای عمیق میتوانند نواحیای را فعال کنند که پیشتر برای گسیختگی بیش از حد داغ تصور میشدند. مدلهای خطرپذیری زلزله باید اثرات ترکیبی آبزدایی و فرار حرارتی را در نظر بگیرند.
پذیرفتن امکان تغییر مکانیسم گسیختگی، به معنای افزایش اندازه بالقوه زلزله و شدت لرزش است.
درک این فرآیندهای پنهان وابسته به گرما، پیشبینی زلزله، طراحی زیرساختها و برنامهریزی مدیریت بحران را بهبود میبخشد.
پنجرهای نادر به اعماق زمین
زلزله کالاما نگاهی کمنظیر به اعماق زمین فراهم میکند و نشان میدهد حتی در شرایط بسیار شدید، زمین میتواند زلزلههایی بسیار قدرتمند تولید کند.
این پژوهش در نشریه علمی Nature Communications منتشر شده است.
اگر به علم زلزله و سازوکارهای پنهان زمین علاقهمند هستید، این مقاله را با دیگران به اشتراک بگذارید یا دیدگاه خود را در بخش نظرات بنویسید.
