作者:乔西·加斯韦特，斯坦福大学 信用:Pixabay/CC0公共域 当长期被摩擦固定的地壳突然滑动和倾斜时，地震可能是家庭破碎、地面扭曲能量的突然爆发
斯坦福大学地球物理学家埃里克·邓纳姆说:“我们通常认为断层两侧的板块在移动、变形、产生应力，然后:砰，地震发生了。”
但是在更深处，这些岩石块可以稳定地相互滑过，以你指甲生长的速度沿着地壳裂缝爬行
断层较低的蠕动部分和较高的部分之间存在一个边界，这个边界可能会被锁定几个世纪
几十年来，科学家们一直困惑于是什么控制着这个边界、它的运动以及它与大地震的关系
主要的未知数是流体和压力如何沿着断层移动，以及这如何导致断层滑动
由邓纳姆和他的同事开发的一个新的基于物理学的故障模拟器提供了一些答案
该模型显示了流体是如何间歇性上升并开始逐渐削弱断层的
在大地震之前的几十年里，它们似乎将边界或锁定深度向上推进了一两英里
迁徙的群体 这项研究发表于9月19日
《自然通讯》杂志还指出，随着高压流体脉冲越来越接近地表，它们会引发地震群——通常在一周左右的时间里，一连串的地震聚集在一个地方
来自这些地震群的震动通常很细微，人们不会注意到，但并不总是如此:例如，2020年8月，加州圣安地列斯断层南端附近的一个地震群产生了4级地震
6级地震足以震动周围城市
群体中的每一次地震都有自己的余震序列，而不是一次大的主震后发生多次余震
该论文的资深作者、斯坦福大学地球、能源和环境科学学院(斯坦福地球)地球物理学副教授邓纳姆解释说:“地震群通常涉及这些事件沿断层在水平或垂直方向的迁移。”
模拟器描绘了这种迁移是如何工作的
尽管过去20年的大部分先进地震建模都集中在摩擦在解锁断层中的作用上，但这项新工作使用一个简化的二维断层模型来解释断层带中流体和压力之间的相互作用，该模型垂直穿过地球的整个地壳，类似于加利福尼亚的圣安地列斯断层
“通过计算建模，我们能够梳理出断层行为的一些根本原因，”第一作者朱伟强说，他是斯坦福大学地球物理学的研究生
“我们发现，断层周围压力的涨落，在决定断层强度方面，可能比摩擦起着更大的作用
" 地下阀门 地壳中的断层总是被流体饱和——大部分是水，但水的状态模糊了液体和气体的区别
这些流体中的一部分起源于地球的腹部并向上迁移；当降雨渗入或能源开发商注入流体作为石油、天然气或地热项目的一部分时，有些来自上面
“流体压力的增加会推动断层壁，使断层更容易滑动，”邓纳姆说
“或者，如果压力降低，就会产生吸力，将墙壁拉在一起，阻止滑动
" 几十年来，对断层带出土岩石的研究揭示了裂缝、充满矿物的矿脉和其他迹象，表明在大地震期间和大地震之间，压力可能会剧烈波动，这使得地质学家得出理论，认为水和其他流体在触发地震和影响最大地震何时发生方面发挥着重要作用
“岩石本身告诉我们这是一个重要的过程，”邓纳姆说
最近，科学家记录了与能源运作相关的流体注入会导致地震群
例如，地震学家将油气废水处理井与2009年前后俄克拉荷马州部分地区地震的急剧增加联系起来
邓纳姆解释说，他们发现地震群在不同的环境中沿着断层移动得更快或更慢，无论是在火山下面、地热作业周围还是在油气储层内，可能是因为流体生产率的巨大差异
但是建模还没有解开观察到的模式背后的物理机制网
邓纳姆和朱的工作建立在断层作为阀门的概念之上，这个概念是地质学家在20世纪90年代首次提出的
“想法是流体沿着断层间歇上升，即使这些流体以稳定、恒定的速率被释放或注入，”邓纳姆解释说
在大地震之间的几十年到几千年里，矿物沉积和其他化学过程封闭了断裂带
当故障阀关闭时，流体积聚并产生压力，削弱故障并迫使其滑动
有时这种运动太轻微，不会引起地面震动，但足以使岩石破裂，打开阀门，让流体继续上升
新的模型首次表明，当这些脉冲沿着断层向上传播时，它们可以产生地震群
“故障阀和流体间歇释放的概念是一个古老的概念，”邓纳姆说
“但是在我们对断层阀门的模拟中，地震群的出现是完全出乎意料的
" 预测及其极限 该模型定量预测了高压流体脉冲沿断层移动的速度、打开孔隙的速度、导致断层滑动的速度以及引发某些现象的速度:在某些情况下，锁定深度会发生变化，而在其他情况下，断层运动或小地震群的速度会慢得难以察觉
然后，这些预测可以通过断层沿线的实际地震活动来检验——换句话说，小地震或慢动作地震最终发生的时间和地点
例如，在一组模拟中，断层被设置为在三四个月内封闭并停止流体运移，预测在一年的过程中，锁定深度周围的断层滑动略大于一英寸，循环每隔几年重复一次
这种特殊的模拟与在新西兰和日本观察到的所谓的慢滑事件模式非常吻合——这是一个迹象，表明算法中内置的潜在过程和数学关系是正确的
与此同时，随着压力脉冲向上攀升，多年来对密封的模拟导致锁定深度上升
锁定深度的变化可以通过全球定位系统对地球表面变形的测量来估计
然而，这项技术并不是地震预测器，邓纳姆说
他解释说，这将需要对影响断层滑动的过程有更全面的了解，以及关于特定断层的几何形状、应力、岩石成分和流体压力的信息，“考虑到大部分活动发生在地下数英里处，这种详细程度简直是不可能的
" 相反，该模型提供了一种理解过程的方法:流体压力的变化如何导致断层滑动；断层的滑动如何破坏岩石并使其更易渗透；以及增加的孔隙率如何使流体更容易流动
今后，这一认识将有助于为与向地球注入流体相关的风险评估提供信息
根据邓纳姆的说法，“我们所学到的关于流体流动与摩擦滑动之间的关系的教训适用于自然发生的地震，也适用于发生在油气储层中的诱发地震
"
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