Η δόνηση που προκαλεί ένας σεισμός αντιπροσωπεύει μόνο ένα μέρος της συνολικής ενέργειας που απελευθερώνεται. Ένας σεισμός μπορεί επίσης να παράγει ένα απότομο κύμα θερμότητας, καθώς και μια αλυσιδωτή θραύση των υπόγειων πετρωμάτων, σαν ντόμινο. Ωστόσο, το να μετρηθεί με ακρίβεια πόση ενέργεια κατανέμεται σε καθεμία από αυτές τις τρεις διεργασίες είναι εξαιρετικά δύσκολο, αν όχι αδύνατο, να γίνει απευθείας στο πεδίο.
Πρόσφατα, γεωλόγοι του MIT εντόπισαν την ενέργεια που απελευθερώνεται από «εργαστηριακούς σεισμούς» (lab quakes), μινιατούρες φυσικών σεισμών που προκαλούνται προσεκτικά σε ένα ελεγχόμενο εργαστηριακό περιβάλλον. Για πρώτη φορά, κατάφεραν να υπολογίσουν πλήρως πώς κατανέμεται η ενέργεια αυτών των σεισμών, με βάση το ποσοστό της ενέργειας που κατευθύνεται σε θερμότητα, δόνηση και θραύση πετρωμάτων.
Διαπίστωσαν ότι μόνο περίπου το 10% της ενέργειας ενός σεισμού εργαστηρίου προκαλεί φυσική δόνηση. Ένα ακόμη μικρότερο ποσοστό -λιγότερο από 1%- καταλήγει να σπάει το πέτρωμα και να δημιουργεί νέες επιφάνειες. Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας ενός σεισμού – κατά μέσο όρο 80%- κατευθύνεται στη θέρμανση της περιοχής γύρω από το επίκεντρο του σεισμού. Στην πραγματικότητα, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι ένας σεισμός εργαστηρίου μπορεί να προκαλέσει αύξηση θερμοκρασίας αρκετά υψηλή ώστε να λιώσει το γύρω υλικό και να το μετατρέψει προσωρινά σε υγρή μάζα.
Γιατί κάποιοι σεισμοί είναι πιο καταστροφικοί από τους άλλους
Οι γεωλόγοι ανακάλυψαν επίσης ότι το ενεργειακό ισοζύγιο του σεισμού εξαρτάται από το ιστορικό παραμόρφωσης μιας περιοχής – δηλαδή τον βαθμό στον οποίο τα πετρώματα έχουν μετακινηθεί και διαταραχθεί από προηγούμενες κινήσεις τεκτονικών πλακών. Τα ποσοστά ενέργειας που παράγουν θερμότητα, δονήσεις και θραύση πετρωμάτων μπορούν να αλλάξουν ανάλογα με όσα έχει υποστεί η περιοχή στο παρελθόν.
«Το ιστορικό της παραμόρφωσης – ουσιαστικά, η μνήμη της γης – επηρεάζει πραγματικά το πόσο καταστροφικός μπορεί να είναι ένας σεισμός, εξηγεί ο Daniel Ortega-Arroyo, απόφοιτος του τμήματος επιστημών της Γης, της Ατμόσφαιρας και των Πλανητών (ΕΑPS) του ΜΙΤ. «H ιστορία αυτή επηρεάζει πολλές ιδιότητες των υλικών στο πέτρωμα και καθορίζει σε κάποιον βαθμό πώς θα ολισθήσει».
Οι εργαστηριακοί σεισμοί της ομάδας αποτελούν μια απλοποιημένη αναλογία των συνθηκών που δημιουργούνται στη διάρκεια ενός φυσικού σεισμού. Στο μέλλον, τα αποτελέσματά τους θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους σεισμολόγους να προβλέψουν την πιθανότητα σεισμών σε σεισμογενείς περιοχές. Για παράδειγμα, αν οι επιστήμονες καταλάβουν πόσο έντονη ήταν η δόνηση που προκλήθηκε από έναν σεισμό στο παρελθόν, θα μπορούσαν να εκτιμήσουν τον βαθμό στον οποίο η ενέργεια του σεισμού επηρέασε επίσης τα πετρώματα στο υπέδαφος, λιώνοντάς τα ή θρυμματίζοντάς τα. Αυτό, με τη σειρά του, θα μπορούσε να δείξει πόσο πιο ευάλωτη ή ανθεκτική είναι η περιοχή σε μελλοντικούς σεισμούς.
«Δεν θα μπορούσαμε ποτέ να αναπαράγουμε την πολυπλοκότητα της Γης, οπότε πρέπει να απομονώσουμε τη φυσική των διεργασιών που συμβαίνουν σε αυτούς τους σεισμούς εργαστηρίου», λέει ο Matěj Peč, αναπληρωτής καθηγητής γεωφυσικής στο MIT. «Ελπίζουμε να κατανοήσουμε αυτές τις διαδικασίες και να προσπαθήσουμε να τις επεκτείνουμε στη φύση».
Ο Peč και ο Ortega-Arroyo παρουσίασαν τα αποτελέσματά τους στις 28 Αυγούστου, στο περιοδικό AGU Advances. Συνεργάτες τους από το MIT είναι οι Hoagy O’Ghaffari και Camilla Cattania, ενώ συνεργάτες από άλλα πανεπιστήμια περιλαμβάνουν τους Zheng Gong και Roger Fu στο Harvard University και Markus Ohl και Oliver Plümper στο Utrecht University στην Ολλανδία.
Κάτω από την επιφάνεια
Οι σεισμοί προκαλούνται από την ενέργεια που συσσωρεύεται στα πετρώματα για εκατομμύρια χρόνια. Καθώς οι τεκτονικές πλάκες τρίβονται αργά η μία πάνω στην άλλη, η πίεση συσσωρεύεται μέσα στον φλοιό της Γης. Όταν τα πετρώματα υπερβούν τη μηχανική τους αντοχή, μπορούν ξαφνικά να γλιστρήσουν κατά μήκος μιας στενής ζώνης, δημιουργώντας μια ζώνη ρήγματος. Καθώς τα πετρώματα ολισθαίνουν εκατέρωθεν του ρήγματος, παράγονται σεισμικά κύματα που διαδίδονται προς τα έξω και προς τα πάνω.
Αντιλαμβανόμαστε την ενέργεια ενός σεισμού κυρίως με τη μορφή δόνησης του εδάφους, η οποία μπορεί να μετρηθεί με σεισμογράφους και άλλα επίγεια όργανα. Ωστόσο, οι άλλες δύο βασικές μορφές ενέργειας ενός σεισμού – η θερμότητα και υπόγεια ρήγματα- είναι σε μεγάλο βαθμό απρόσιτες με τις τρέχουσες τεχνολογίες.
«Σε αντίθεση με τον καιρό, όπου μπορούμε να παρατηρήσουμε τα μοτίβα και να υπολογίσουμε τον αριθμό των σχετικών μεταβλητών, είναι πολύ δύσκολο να γίνει αυτό στα βάθη της Γης», εξήγησε ο Ortega-Arroyo. «Δεν γνωρίζουμε τι συμβαίνει στα ίδια τα πετρώματα, ενώ οι χρονικές κλίμακες στις οποίες επαναλαμβάνονται οι σεισμοί μέσα στις ζώνες ρήγματος, είναι της τάξης αιώνων έως χιλιετιών, κάνοντας δύσκολη την οποιαδήποτε αξιόπιστη πρόβλεψη».
Για να κατανοήσουν πώς κατανέμεται η ενέργεια ενός σεισμού και πώς αυτή η ποσότητα της ενέργειας μπορεί να επηρεάσει τον σεισμικό κίνδυνο μιας περιοχής, ο Ortega-Arroyo και ο Peč πραγματοποίησαν πειράματα. Τα τελευταία επτά χρόνια, η ομάδα του Peč στο MIT έχει αναπτύξει μεθόδους και όργανα για την προσομοίωση σεισμικών γεγονότων σε μικροσκοπική κλίμακα, με στόχο να κατανοήσουν πώς μπορεί να εξελιχθούν οι σεισμοί σε μεγάλη κλίμακα.
«Εστιάζουμε σε όσα συμβαίνουν σε πολύ μικρή κλίμακα, όπου μπορούμε να ελέγξουμε πολλές πτυχές της αστοχίας και προσπαθούμε να την κατανοήσουμε προτού κάνουμε οποιαδήποτε μέτρηση στη φύση», εξήγησε ο Ortega-Arroyo.
Οι μικροσεισμοί
Για την μελέτη τους, οι ερευνητές προχώρησαν σε μικροσεισμούς στο εργαστήριο , που προσομοιώνουν την ολίσθηση πετρωμάτων κατά μήκος μιας ζώνης ρήγματος. Αξιοποίησαν μικρά δείγματα γρανίτη, αντιπροσωπευτικά των πετρωμάτων σε σεισμογενή στρώματα – τη γεωλογική περιοχή στον ηπειρωτικό φλοιό, από όπου προέρχονται συνήθως οι σεισμοί. Κονιορτοποίησαν τον γρανίτη σε ψιλή σκόνη και τον ανέμιξαν με ακόμη πιο ψιλή σκόνη μαγνητικών σωματιδίων, τα οποία χρησιμοποίησαν για να υπολογίσουν την εσωτερική θερμοκρασία (Η ένταση του μαγνητικού πεδίου ενός σωματιδίου αλλάζει ως αντίδραση σε μεταβολή της θερμοκρασίας).
Οι ερευνητές τοποθέτησαν δείγματα σκόνης γρανίτη -το καθένα περίπου 10 τετραγωνικά χιλιοστά και 1 χιλιοστό σε πάχος – ανάμεσα σε δύο μικρά έμβολα και τύλιξαν το σύνολο σε χρυσό περίβλημα. Στη συνέχεια, εφάρμοσαν ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο για να ευθυγραμμίσουν τα μαγνητικά σωματίδια της σκόνης στην ίδια αρχική κατεύθυνση και στην ίδια ένταση πεδίου. Υπέθεσαν ότι οποιαδήποτε αλλαγή στην κατεύθυνση και την ένταση του πεδίου των σωματιδίων αργότερα θα αποτελούσε ένδειξη για την ποσότητα της θερμότητας που είχε δεχθεί η περιοχή ως αποτέλεσμα οποιουδήποτε σεισμικού γεγονότος.
Μόλις προετοιμάστηκαν τα δείγματα, η ομάδα τα τοποθέτησε ένα-ένα σε ειδικά κατασκευασμένη συσκευή, η οποία ρυθμίστηκε ώστε να ασκεί σταδιακά αυξανόμενη πίεση, παρόμοια με τις πιέσεις που δέχονται τα πετρώματα στο σεισμογενές στρώμα της Γης, περίπου 10 έως 20 χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια. Χρησιμοποίησαν ειδικά κατασκευασμένους πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες, που είχαν αναπτύξει οι συν-συγγραφείς O’Ghaffari, τους οποίους τοποθέτησαν σε κάθε άκρο του δείγματος για να μετρήσουν τυχόν δονήσεις, καθώς αύξαναν την πίεση στο δείγμα.
Παρατήρησαν ότι υπό ορισμένες πιέσεις, κάποια δείγματα γλιστρούσαν, παράγοντας σεισμικά γεγονότα παρόμοια με τον κανονικό σεισμό, αλλά σε μικροκλίματα. Αναλύοντας τα μαγνητικά σωματίδια στα δείγματα εκ των υστέρων, κατάφεραν να εκτιμήσουν πόσο είχε θερμανθεί προσωρινά κάθε δείγμα. Πρόκειται για μια μέθοδο που αναπτύχθηκε σε συνεργασία με το εργαστήριο του Roger Fu στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ.
Επιπλέον, εκτίμησαν την ποσότητα δόνησης που υπέστη κάθε δείγμα, χρησιμοποιώντας μετρήσεις από τους πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες και αριθμητικά μοντέλα. Οι ερευνητές εξέτασαν επίσης κάθε δείγμα κάτω από μικροσκόπιο, με διαφορετικούς βαθμούς μεγέθυνσης, για να αξιολογήσουν πώς άλλαζε το μέγεθος των κόκκων του γρανίτη, δηλαδή αν και πόσοι κόκκοι διασπάστηκαν σε μικρότερα κομμάτια. Από όλες αυτές τις μετρήσεις, η ομάδα μπόρεσε να υπολογίσει το ενεργειακό ισοζύγιο κάθε σεισμού στο εργαστήριο.
Κατά μέσο όρο, βρήκαν πως σχεδόν το 80% της ενέργειας ενός σεισμού, πηγαίνει σε θερμότητα, ενώ το 10% παράγει τη δόνηση και λιγότερο από 1% προκαλεί θραύση πετρωμάτων ή δημιουργία νέων, μικρότερων επιφανειών σωματιδίων.
«Σε ορισμένες περιπτώσεις είδα πως, κοντά στο ρήγμα, το δείγμα ανέβηκε από τη θερμοκρασία δωματίου στους 1.200°C μέσα σε λίγα μικροδευτερόλεπτα και στη συνέχεια ψύχθηκε αμέσως, με το που σταμάτησε η κίνηση», είπε ο Ortega-Arroyo. «Σε ένα δείγμα συγκεκριμένα, είδαμε το ρήγμα να κινείται περίπου 100 μικρόμετρα, πράγμα που υποδηλώνει ταχύτητες ολίσθησης περίπου 10 μέτρα το δευτερόλεπτο. Κινείται πολύ γρήγορα, αν και δεν διαρκεί για πολύ».
Οι ερευνητές υποπτεύονται πως, παρόμοιες διεργασίες συμβαίνουν σε σε πραγματικούς σεισμούς κλίμακας χιλιομέτρων. «Τα πειράματά μας προσφέρουν μια ολοκληρωμένη προσέγγιση που παρέχει μια από τις πιο πλήρεις εικόνες της φυσικής των ρηγμάτων που μοιάζουν με σεισμούς μέχρι σήμερα», εξηγεί ο Peč. «Αυτό θα προσφέρει στοιχεία για το πώς να βελτιώσουμε τα τρέχοντα μοντέλα σεισμών και την αντιμετώπιση φυσικών κινδύνων».
