Που πηγαίνει η ενέργεια κατά τη διάρκεια ενός σεισμού;
Μια φωτομικρογραφία σάρωσης ηλεκτρονίων επισημαίνει μια περιοχή βράχου που γλίστρησε κατά τη διάρκεια ενός σεισμού που προκλήθηκε από εργαστήριο. Η «ρευστή» κεντρική περιοχή αντιπροσωπεύει ένα τμήμα του βράχου που έλιωσε και μετατράπηκε σε γυαλί λόγω έντονης τριβικής θέρμανσης. Από: AGU Advances (2025). DOI: 10.1029/2025av001683.
Οι γεωλόγοι ανακαλύπτουν πού πηγαίνει η ενέργεια κατά τη διάρκεια ενός σεισμού.
Η δόνηση του εδάφους που προκαλεί ένας σεισμός είναι μόνο ένα κλάσμα της συνολικής ενέργειας που απελευθερώνει ένας σεισμός. Ένας σεισμός μπορεί επίσης να δημιουργήσει μια λάμψη θερμότητας, μαζί με μια ρωγμάτωση υπόγειων πετρωμάτων που μοιάζει με ντόμινο. Αλλά το πόση ακριβώς ενέργεια καταναλώνεται σε καθεμία από αυτές τις τρεις διεργασίες είναι εξαιρετικά δύσκολο, αν όχι αδύνατο, να μετρηθεί στο πεδίο.
Τώρα, γεωλόγοι του MIT έχουν εντοπίσει την ενέργεια που απελευθερώνεται από τους «εργαστηριακούς σεισμούς» - μικροσκοπικά ανάλογα φυσικών σεισμών που ενεργοποιούνται προσεκτικά σε ελεγχόμενο εργαστηριακό περιβάλλον. Για πρώτη φορά, έχουν ποσοτικοποιήσει το πλήρες ενεργειακό ισοζύγιο τέτοιων σεισμών, με βάση το κλάσμα της ενέργειας που καταναλώνεται για θερμότητα, δόνηση και ρωγμάτωση.
Διαπίστωσαν ότι μόνο περίπου το 10% της ενέργειας ενός σεισμού σε εργαστήριο προκαλεί φυσική δόνηση. Ένα ακόμη μικρότερο κλάσμα - λιγότερο από 1% - πηγαίνει στη διάσπαση των πετρωμάτων και στη δημιουργία νέων επιφανειών. Το συντριπτικό μέρος της ενέργειας ενός σεισμού - κατά μέσο όρο 80% - πηγαίνει στη θέρμανση της άμεσης περιοχής γύρω από το επίκεντρο ενός σεισμού. Στην πραγματικότητα, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι ένας σεισμός σε εργαστήριο μπορεί να προκαλέσει μια απότομη αύξηση της θερμοκρασίας αρκετά υψηλή ώστε να λιώσει το περιβάλλον υλικό και να το μετατρέψει για λίγο σε υγρό τήγμα.
Οι γεωλόγοι διαπίστωσαν επίσης ότι το ενεργειακό ισοζύγιο ενός σεισμού εξαρτάται από το ιστορικό παραμόρφωσης μιας περιοχής - τον βαθμό στον οποίο τα πετρώματα έχουν μετατοπιστεί και διαταραχθεί από προηγούμενες τεκτονικές κινήσεις. Τα κλάσματα της ενέργειας του σεισμού που παράγουν θερμότητα, δόνηση και θραύση πετρωμάτων μπορούν να μετατοπιστούν ανάλογα με το τι έχει βιώσει η περιοχή στο παρελθόν.
«Το ιστορικό παραμόρφωσης -ουσιαστικά αυτό που θυμάται ο βράχος- επηρεάζει πραγματικά το πόσο καταστροφικός θα μπορούσε να είναι ένας σεισμός», λέει ο Daniel Ortega-Arroyo, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Τμήμα Γης, Ατμοσφαιρικών και Πλανητικών Επιστημών (EAPS) του MIT. «Αυτό το ιστορικό επηρεάζει πολλές από τις ιδιότητες των υλικών στον βράχο και υπαγορεύει σε κάποιο βαθμό πώς θα ολισθήσει».
Οι σεισμοί στο εργαστήριο της ομάδας αποτελούν ένα απλοποιημένο ανάλογο αυτού που συμβαίνει κατά τη διάρκεια ενός φυσικού σεισμού. Στο μέλλον, τα αποτελέσματά τους θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους σεισμολόγους να προβλέψουν την πιθανότητα σεισμών σε περιοχές που είναι επιρρεπείς σε σεισμικά γεγονότα. Για παράδειγμα, εάν οι επιστήμονες έχουν μια ιδέα για το 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 βράχους βαθιά στο υπέδαφος, λιώνοντάς τους ή σπάζοντάς τους. Αυτό με τη σειρά του θα μπορούσε να αποκαλύψει πόσο περισσότερο ή λιγότερο ευάλωτη είναι η περιοχή σε μελλοντικούς σεισμούς.
«Δεν θα μπορούσαμε ποτέ να αναπαράγουμε την πολυπλοκότητα της Γης, επομένως πρέπει να απομονώσουμε τη φυσική αυτού που συμβαίνει σε αυτούς τους εργαστηριακούς σεισμούς», λέει ο Matěj Peč, αναπληρωτής καθηγητής γεωφυσικής στο MIT. «Ελπίζουμε να κατανοήσουμε αυτές τις διαδικασίες και να προσπαθήσουμε να τις παρεκτείνουμε στη φύση».
Οι Peč (προφέρεται «Peck») και Ortega-Arroyo δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στις 28 Αυγούστου στο περιοδικό AGU Advances . Οι συν-συγγραφείς τους στο MIT είναι οι Hoagy O'Ghaffari και Camilla Cattania, μαζί με τους Zheng Gong και Roger Fu στο Πανεπιστήμιο Harvard και τους Markus Ohl και Oliver Plümper στο Πανεπιστήμιο της Ουτρέχτης στην Ολλανδία.
Κάτω από την επιφάνεια
Οι σεισμοί προκαλούνται από την ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στα πετρώματα για εκατομμύρια χρόνια. Καθώς οι τεκτονικές πλάκες τρίβονται αργά η μία πάνω στην άλλη, συσσωρεύεται τάση στον φλοιό. Όταν τα πετρώματα ωθούνται πέρα από την υλική τους αντοχή, μπορούν ξαφνικά να γλιστρήσουν κατά μήκος μιας στενής ζώνης, δημιουργώντας ένα γεωλογικό ρήγμα. Καθώς τα πετρώματα γλιστρούν εκατέρωθεν του ρήγματος, παράγουν σεισμικά κύματα που κυματίζουν προς τα έξω και προς τα πάνω.
Αντιλαμβανόμαστε την ενέργεια ενός σεισμού κυρίως με τη μορφή εδαφικής δόνησης, η οποία μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας σεισμόμετρα και άλλα επίγεια όργανα. Αλλά οι άλλες δύο κύριες μορφές ενέργειας ενός σεισμού - η θερμότητα και η υπόγεια ρωγμάτωση - είναι σε μεγάλο βαθμό απρόσιτες με τις τρέχουσες τεχνολογίες.
«Σε αντίθεση με τον καιρό, όπου μπορούμε να δούμε καθημερινά μοτίβα και να μετρήσουμε μια σειρά από σχετικές μεταβλητές, είναι πολύ δύσκολο να το κάνουμε αυτό πολύ βαθιά στη Γη», λέει ο Ortega-Arroyo. «Δεν γνωρίζουμε τι συμβαίνει στα ίδια τα πετρώματα και οι χρονικές κλίμακες κατά τις οποίες οι σεισμοί επαναλαμβάνονται μέσα σε μια ζώνη ρηγμάτων είναι από αιώνα έως χιλιετίες, γεγονός που καθιστά δύσκολη οποιαδήποτε εφαρμόσιμη πρόβλεψη».
Για να σχηματίσουν μια ιδέα για το πώς κατανέμεται η ενέργεια ενός σεισμού και πώς αυτός ο ενεργειακός προϋπολογισμός μπορεί να επηρεάσει τον σεισμικό κίνδυνο μιας περιοχής, αυτός και ο Peč πήγαν στο εργαστήριο. Τα τελευταία επτά χρόνια, η ομάδα του Peč στο MIT έχει αναπτύξει μεθόδους και όργανα για την προσομοίωση σεισμικών γεγονότων, σε μικροκλίμακα, σε μια προσπάθεια να κατανοήσουν πώς μπορούν να εξελιχθούν οι σεισμοί σε μακροκλίμακα.
«Εστιάζουμε σε ό,τι συμβαίνει σε πολύ μικρή κλίμακα, όπου μπορούμε να ελέγξουμε πολλές πτυχές της αποτυχίας και να προσπαθήσουμε να την κατανοήσουμε προτού μπορέσουμε να κάνουμε οποιαδήποτε κλιμάκωση στη φύση», λέει ο Ortega-Arroyo.
Ένα απλό σχηματικό απεικονίζει ένα δείγμα βράχου που υποβάλλεται σε ένα εργαστηριακό πείραμα σεισμού, το οποίο απελευθερώνει ενέργεια σε τρεις μορφές: θραύση και θρυμματισμό (μείωση του μεγέθους των κόκκων), θέρμανση λόγω τριβής και σεισμική δόνηση. Από: AGU Advances (2025). DOI: 10.1029/2025av001683
Μικροαναταραχές
Για τη νέα τους μελέτη, η ομάδα δημιούργησε μικροσκοπικούς εργαστηριακούς σεισμούς που προσομοιώνουν μια σεισμική ολίσθηση πετρωμάτων κατά μήκος μιας ζώνης ρηγμάτων. Εργάστηκαν με μικρά δείγματα γρανίτη, τα οποία είναι αντιπροσωπευτικά των πετρωμάτων στο σεισμογόνο στρώμα - τη γεωλογική περιοχή στον ηπειρωτικό φλοιό όπου συνήθως προέρχονται οι σεισμοί. Άλεσαν τον γρανίτη σε λεπτή σκόνη και ανακάτεψαν τον θρυμματισμένο γρανίτη με μια πολύ λεπτότερη σκόνη μαγνητικών σωματιδίων, την οποία χρησιμοποίησαν ως ένα είδος εσωτερικού μετρητή θερμοκρασίας. (Η ένταση του μαγνητικού πεδίου ενός σωματιδίου θα αλλάξει ως απόκριση σε μια διακύμανση της θερμοκρασίας.)
Οι ερευνητές τοποθέτησαν δείγματα του κονιοποιημένου γρανίτη -το καθένα περίπου 10 τετραγωνικά χιλιοστά και πάχους 1 χιλιοστού - ανάμεσα σε δύο μικρά έμβολα και τύλιξαν το σύνολο σε ένα χρυσό περίβλημα. Στη συνέχεια, εφάρμοσαν ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο για να προσανατολίσουν τα μαγνητικά σωματίδια της σκόνης στην ίδια αρχική κατεύθυνση και στην ίδια ένταση πεδίου. Υποστήριξαν ότι οποιαδήποτε αλλαγή στον προσανατολισμό των σωματιδίων και την ένταση του πεδίου στη συνέχεια θα πρέπει να αποτελεί ένδειξη της ποσότητας θερμότητας που δέχτηκε η περιοχή ως αποτέλεσμα οποιουδήποτε σεισμικού συμβάντος.
Μόλις ετοιμάστηκαν τα δείγματα, η ομάδα τα τοποθέτησε ένα κάθε φορά σε μια ειδικά κατασκευασμένη συσκευή, την οποία οι ερευνητές ρύθμισαν ώστε να ασκεί σταθερά αυξανόμενη πίεση, παρόμοια με τις πιέσεις που υφίστανται τα πετρώματα στο σεισμογόνο στρώμα της Γης, περίπου 10 έως 20 χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια. Χρησιμοποίησαν ειδικά κατασκευασμένους πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες, που αναπτύχθηκαν από τον συν-συγγραφέα O'Ghaffari, τους οποίους προσάρτησαν σε κάθε άκρο ενός δείγματος για να μετρήσουν τυχόν δονήσεις που συνέβαιναν καθώς αύξαναν την τάση στο δείγμα.
Παρατήρησαν ότι υπό ορισμένες τάσεις, ορισμένα δείγματα ολισθαίνουν, παράγοντας ένα σεισμικό συμβάν μικροκλίμακας παρόμοιο με σεισμό. Αναλύοντας τα μαγνητικά σωματίδια στα δείγματα εκ των υστέρων, έλαβαν μια εκτίμηση για το πόσο θερμάνθηκε προσωρινά κάθε δείγμα - μια μέθοδος που αναπτύχθηκε σε συνεργασία με το εργαστήριο του Ρότζερ Φου στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ.
Εκτίμησαν επίσης την ποσότητα της δόνησης που υπέστη κάθε δείγμα, χρησιμοποιώντας μετρήσεις από τον πιεζοηλεκτρικό αισθητήρα και αριθμητικά μοντέλα. Οι ερευνητές εξέτασαν επίσης κάθε δείγμα στο μικροσκόπιο, σε διαφορετικές μεγεθύνσεις, για να αξιολογήσουν πώς άλλαξε το μέγεθος των κόκκων γρανίτη - για παράδειγμα, αν και πόσοι κόκκοι έσπασαν σε μικρότερα κομμάτια.
Από όλες αυτές τις μετρήσεις, η ομάδα ήταν σε θέση να εκτιμήσει το ενεργειακό ισοζύγιο κάθε εργαστηριακού σεισμού. Κατά μέσο όρο, διαπίστωσαν ότι περίπου το 80% της ενέργειας ενός σεισμού πηγαίνει σε θερμότητα, ενώ το 10% δημιουργεί δόνηση και λιγότερο από το 1% πηγαίνει σε θραύση πετρωμάτων ή στη δημιουργία νέων, μικρότερων επιφανειών σωματιδίων.
«Σε ορισμένες περιπτώσεις είδαμε ότι, κοντά στο ρήγμα, το δείγμα έφτασε από τη θερμοκρασία δωματίου στους 1.200°C σε λίγα μικροδευτερολέπτα και στη συνέχεια ψύχθηκε αμέσως μόλις σταμάτησε η κίνηση», λέει ο Ortega-Arroyo. «Και σε ένα δείγμα, είδαμε το ρήγμα να κινείται κατά περίπου 100 μικρά, πράγμα που υποδηλώνει ταχύτητες ολίσθησης ουσιαστικά περίπου 10 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Κινείται πολύ γρήγορα, αν και δεν διαρκεί πολύ».
Οι ερευνητές υποψιάζονται ότι παρόμοιες διεργασίες συμβαίνουν και σε πραγματικούς σεισμούς χιλιομετρικής κλίμακας.
«Τα πειράματά μας προσφέρουν μια ολοκληρωμένη προσέγγιση που παρέχει μία από τις πιο ολοκληρωμένες απόψεις της φυσικής των σεισμικών ρήξεων σε βράχους μέχρι σήμερα», λέει ο Peč. «Αυτό θα δώσει ενδείξεις για το πώς να βελτιώσουμε τα τρέχοντα μοντέλα σεισμών και τον μετριασμό των φυσικών κινδύνων».
Γεωδίφης με πληροφορίες από τη σελίδα phys.org
Daniel Ortega‐Arroyo et al, "Lab‐Quakes": Quantifying the Complete Energy Budget of High‐Pressure Laboratory Failure, AGU Advances (2025). DOI: 10.1029/2025av001683
Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης
https://phys.org/news/2025-09-geologists-energy-earthquake.html#google_vignette