Badanie MIT i Harvardu pokazuje, gdzie tak naprawdę znika energia pękania skorupy ziemskiej.
Zaledwie ułamek energii uwalnianej podczas trzęsień ziemi dociera do powierzchni w postaci fal sejsmicznych. A co dzieje się z resztą? Rozprasza się w skałach, podgrzewa je, topi i rozbija na pył. Międzynarodowy zespół naukowców jako pierwszy dokonał precyzyjnego pomiaru tego procesu. Wyniki mogą pomóc rozgryźć mechanizm niszczycielskich zjawisk i w ocenie zagrożenia sejsmicznego.
Trzęsienie ziemi to nie tylko fale
Kiedy ziemia drży, myślimy przede wszystkim o falach sejsmicznych, które docierają do powierzchni i powodują wstrząsy. Tymczasem jest to zaledwie wierzchołek energetycznej góry lodowej. Większość energii uwalnianej w trakcie trzęsienia ziemi nigdy nie opuszcza skał, ale zostaje bez pardonu pochłonięta przez tarcie, rozdrobnienie materiału i lokalne topnienie.
Dotąd szacunki tego bilansu energetycznego opierały się na uproszczeniach i symulacjach. Teraz jednak naukowcy z MIT, Harvardu, Utrecht University i innych uczelni przeprowadzili badania, w których po raz pierwszy bezpośrednio zmierzyli, ile energii i w jakiej formie uwalnia się podczas tzw. laboratoryjnych trzęsień ziemi.
Zespół przeprowadził eksperymenty z użyciem syntetycznych kataklazytów, czyli drobnoziarnistego odpowiednika skał występujących w strefach uskokowych. Poddany kontrolowanemu ciśnieniu materiał przechodził cykle powolnego narastania naprężenia, a następnie gwałtownego poślizgu. To wszystko imitowało prawdziwe trzęsienie ziemi.
W trakcie tych mikrotrzęsień naukowcy jednocześnie rejestrowali fale akustyczne dzięki ultradźwięków, zmiany temperatury (za pomocą termopar i mikroskopii magnetycznej QDM), mikropęknięcia i zmiany w strukturze ziarnistej, ślady lokalnego topnienia oraz rzeczywiste pole magnetyczne skał. Dzięki temu mogli określić udział każdego z mechanizmów w całkowitym rozproszeniu energii.
Większość energii znika jako ciepło
Zgodnie z wynikami badań 68-98 proc. energii zamienia się w ciepło tarcia, <1-32 proc. zużywane jest na tworzenie nowych powierzchni pęknięć, a tylko 1-8 proc. to fale sejsmiczne, które docierają do powierzchni. Oznacza to, iż niemal cała energia trzęsienia ziemi zostaje pochłonięta wewnątrz skał. Szczególnie istotna jest w tym procesie rola dynamicznego smarowania uskoku, w tym przez materiały nanokrystaliczne i lokalnie powstałe pseudotachylity, czyli ślady po chwilowym topnieniu skał. Są one dowodem na ekstremalną temperaturę i szybkość procesów zachodzących w strefie poślizgu.
Wyniki badań potwierdzają, iż statyczny spadek naprężenia ścinającego może być fundamentem do zrozumienia niszczącej siły trzęsienia ziemi. Im większy ten spadek, tym więcej energii trafia w fale sejsmiczne, a tym samym rośnie potencjał destrukcyjny. W praktyce oznacza to, iż analiza może pomóc w prognozowaniu siły przyszłych wstrząsów. Można też lepiej zrozumieć, dlaczego niektóre trzęsienia ziemi rozchodzą się gwałtownie i są bardziej niszczące, mimo podobnej lokalizacji czy magnitudy.
Czy nadchodzi nowy rozdział w fizyce trzęsień ziemi?
To pierwsze tak kompleksowe, empiryczne badanie bilansu energetycznego trzęsień ziemi. Jego wyniki otwierają nowe możliwości badawcze i aplikacyjne w sejsmologii, od modelowania uskoków po analizę zagrożeń naturalnych.
Ostateczna odpowiedź na pytanie: gdzie znika energia trzęsień ziemi, brzmi: do wnętrza skał w postaci ciepła, pęknięć i stopionego pyłu. To właśnie tam trzeba szukać wskazówek do przyszłych prognoz. Czy to rewolucja? Może nie, ale wiedza na pewno się przyda przy prognozowaniu kataklizmów na całym świecie.
