A földrengések hirtelen kipattanó, talajt felgyűrő és otthonainkat leromboló energiatöltetek, melyek akkor keletkeznek, amikor a bolygónk kérgének „szeleteit” hosszú ideig helyén tartó súrlódás, illetve nyomás mértéke hirtelen megváltozik, az elmozdulásban részt vevő blokkok egymáshoz képest elcsúsznak vagy bezökkennek.
„Legegyszerűbben úgy gondolhatunk ezekre a szeletekre, hogy egy törésvonal mentén mozognak, deformálódnak, feszültséget halmoznak, majd egyszer csak: bumm, földrengést okoznak” – fogalmazott Eric Dunham, a Stanford Egyetem geofizikusa. A mélyben ezek a blokkok – az emberi köröm növekedési ütemének megfelelő sebességgel – egyenletesen csúszhatnak el egymás mellett a földkéreg repedései mentén.
Létezik egy határvonal a vetődés elcsúszó és az akár több száz évig is rögzített helyzetben álló része között. A kutatók évtizedekig azon tanakodtak, mi irányítja e határvonal menti folyamatokat, a hozzájuk kapcsolódó mozgásokat, és a nagy földrengésekkel való kapcsolódásukat. Ezek meghatározó elemei közül a legfontosabb, hogy a folyadék miként vándorol, illetve a nyomás milyen módon változik a törésvonal mentén, és végül hogyan segítik elő az e vonalak mentén történő elmozdulásokat. A kérdésekre a Dunham és munkatársai által kifejlesztett új, a fizika törvényszerűségeit kifinomultan alkalmazó vetődésszimulátor szolgálhat néhány érdekes válasszal. A modell megmutatja, hogy a folyadékok hogyan befolyásolják az egyes blokkok illeszkedését, ezáltal a földrengések kipattanását.
Vándorló rajok
A Nature Communications szakfolyóiratban megjelent tanulmány szerint mihelyst a nagynyomású folyadékok által kifejtett impulzusok a felszín felé haladnak, földrengés- sorozatokat (úgynevezett rajokat) válthatnak ki, melyek egy adott terület köré csoportosulnak, általában egy hét leforgása alatt. E szeizmikus rajok kiváltotta rezgések gyakran túl finomak ahhoz, hogy az ember műszer nélkül érzékelje, de nem minden esetben. 2020 augusztusában a kaliforniai Szent András-törésvonal déli végének közelében ugyanis egy raj 4,6-os erősségű rengést keltett, amely elegendőnek bizonyult ahhoz, hogy néhány közeli város konyhaszekrényében zörögni kezdjenek a tányérok.
A raj minden egyes földrengésének megvan a maga utórengés-sorrendje, szemben egyetlen nagy földrengéssel, amelyet több szabálytalan utórengés követ. „Egy földrengésraj gyakran magában foglalja az események bármely irányú – vízszintes vagy függőleges – egymásra következését a törésvonal mentén” – magyarázta Dunham. A vetődésszimulátor ezeket az eseménysorokat képes feltérképezni. Míg az elmúlt 20 év földrengés-modelljeinek többsége leginkább a súrlódás szerepére összpontosított, addig az új kutatás a törésvonal zónájában lévő nyomásviszonyok által kifejtett kölcsönhatásokra ad számszerűsíthető magyarázatot. Ehhez egy egyszerűsített, kétdimenziós modellt alkalmaztak. „Számítógépes modellezés segítségével rájöttünk a törésvonalak néhány érdekes tulajdonságára” – mondta Weiqiang Zhu, a tanulmány első számú szerzője, a Stanford Egyetem munkatársa. „Megállapítottuk, hogy az erőátvitelben a vetődés körüli nyomásváltozás még fontosabb szerepet játszhat, mint a súrlódás.”
Földalatti szelepek
A földkéreg repedései folyadékkal – jellemzően vízzel – telítettek, és meglehetősen sajátos állapotúak. E folyadékok egy része a Föld gyomrából származik, és felfelé vándorol, míg más részük felülről érkezik a csapadék beszivárgása, vagy a kőolaj- és földgázkitermelés, illetve a geotermikus erőművek vízbesajtolása révén. A folyadék nyomásának növekedése széttaszíthatja a repedés falait, ezáltal megkönnyítheti az egyes blokkok elmozdulását. Ellenben a csökkenő nyomás olyan szívóhatást eredményezhet, amely összehúzza a törésvonalat, megakadályozva az elcsúszás lehetőségét. Évtizedekig a törésvonalak zónájából származó kőzetek elemzéséből olyan ásványkitöltésekre, és egyéb jelekre bukkantak, melyek mind-mind a vad nyomásingadozásra utaltak, azt sugallva a geológusoknak, hogy a víz, és más folyadékok fontos szerepet játszanak a földrengések kiváltásában, erejük befolyásolásában.
Újabban a kutatók a földrengésrajokhoz vezető folyadék-befecskendezési tevékenységeket dokumentálták. A szeizmológusok például olyan kőolaj- és földgázkitermelő kutakat vizsgáltak, melyek nyersanyagkinyerési eljárásai tehetők felelőssé a földrengések megnövekedett számáért, mint azt az egyesült államokbeli Oklahomában többször is tapasztalták már. További elemzések kimutatták, hogy a földrengésrajok törésvonalak mentén történő vándorlása eltérő környezetben (vulkán, geotermikus erőmű, illetve kőolaj-, vagy földgáztározó közelében) gyorsabban, vagy lassabban zajlik, a folyadékmennyiség bejutásától függően. A feladat azonban továbbra is az e folyamatok mögött rejtőző fizikai mechanizmusok bonyolult hálójának kibogozása maradt.
Dunham és Zhu munkája arra az elméletre épül, mely még az 1990-es években fogalmazódott meg a geológusokban. Eszerint a törésvonalak közé szakaszosan nyomul be a folyadék – mintha csak szelepekkel szabályoznák – még akkor is, ha állandó sebességgel áramlik oda. A nagy földrengések közötti időszakokban ugyanis alkalmanként ásványlerakódások és más kémiai folyamatok tömítik el a repedéseket. Amikor egy ilyen „szelep” bezáródik, a folyadék elkezd felhalmozódni, növekszik a nyomás, előbb-utóbb elmozdulásra kényszerítve a törésvonal menti blokkokat. Néha ez nem elegendő, hogy nagyobb rengést idézzen elő, ahhoz viszont igen, hogy megtörje a kőzetet, ezáltal megnyitva az utat a folyadék további áramlása előtt, újra és újra elindítva a már említett folyamatot. Az új modell szerint ezek a törésvonal mentén fellépő változások eredményezik a rajokat. „Az elmélet tehát nem mai, a szimulációkban történő megjelenésére azonban nem számítottunk” – vallották be a kutatók.
A megalkotott modell egyelőre még nagyrészt csak az imént vázolt földrengés-keletkezés megértésének módját kínálja, azaz hogy hogyan okozhatja a folyadéknyomás változása a törésvonalak menti elmozdulást, a mozgások mennyire lazítják fel, teszik átjárhatóbbá a kőzetet, és ez lehetővé teszi-e a folyadékok könnyebb áramlását. A jövőben mindezen információk teljes megértése segítheti a bolygónkba pumpált folyadékokkal kapcsolatos földrengéskockázatok értékelését.
SZOUCSEK ÁDÁM
A cikk a Természet Világa 2020. októberi számában (151. évf. 10. sz.) jelent meg.
