Γιατί τα σεισμικά κύματα είναι πιο αργά λίγο μετά από έναν σεισμό
Δείγμα βράχου ψαμμίτη Bentheim, μέσα σε προστατευτικό χιτώνιο από νεοπρένιο και με όλους τους αισθητήρες κολλημένους στην επιφάνειά του, πριν εισέλθει στην πειραματική πρέσα της GFZ. Από: Manuel Asnar/GFZ.
Παρόλο που είναι συμπαγή, τα πετρώματα δεν είναι στατικά υλικά με σταθερές ιδιότητες. Ακόμα και μικρά φορτία είναι αρκετά για να μεταβάλουν τις μηχανικές τους ιδιότητες. Η αντίδρασή τους στην παραμόρφωση είναι η απώλεια ακαμψίας. Τα πετρώματα που έχουν υποστεί τέτοια ζημιά είναι τότε λιγότερο ικανά να αντέξουν φορτία, όπως η βαρύτητα ή οι τεκτονικές τάσεις. Αυτό το φαινόμενο είναι επομένως σημαντικό για την κατανόηση της εμφάνισης αστοχίας υλικών, όπως σε κατολισθήσεις ή σεισμούς.
Τέτοιες αλλαγές στις ελαστικές ιδιότητες παρατηρούνται συνήθως σε ετερογενή και κοκκώδη υλικά όπως βράχοι, σκυρόδεμα ή ιζήματα. Ως εκ τούτου, παίζουν ρόλο στη γεωτεχνική καθώς και στη σταθερότητα των τεχνητών κατασκευών.
Αυτά τα φαινόμενα έχουν παρατηρηθεί σε εργαστηριακά πειράματα εδώ και χρόνια χρησιμοποιώντας ακουστικές μεθόδους. Η ανάπτυξη της σεισμικής συμβολομετρίας κατέστησε δυνατές τέτοιες παρατηρήσεις στο πεδίο αξιοποιώντας τον λεγόμενο «σεισμικό θόρυβο».
Μια βασική παρατήρηση που χρησιμοποιεί αυτές τις μεθόδους είναι η απότομη μείωση της ταχύτητας των σεισμικών κυμάτων στο υπέδαφος μετά από έναν σεισμό (ζημιά). Αυτή η μείωση ακολουθείται από μια αργή εκ νέου αύξηση, η οποία μπορεί να εκτείνεται σε αρκετά χρόνια (ανάκτηση).
Παρά τις μελέτες αυτές και τα πολλά χρόνια έρευνας, η φυσική προέλευση αυτών των διεργασιών δεν έχει ακόμη προσδιοριστεί με σαφήνεια. Ωστόσο, είναι κοινώς αποδεκτό ότι η αντίθεση μεταξύ των πολύ άκαμπτων κόκκων και των πολύ μαλακότερων επιπέδων επαφής των κόκκων, καθώς και οι συγκεντρώσεις τάσεων σε αυτά τα σημεία επαφής, είναι υπεύθυνες για αυτά τα φαινόμενα.
Ο Manuel Asnar και μια ομάδα συνεργατών από το GFZ, το Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου στο Ηνωμένο Βασίλειο και το Πανεπιστήμιο της Λωραίνης στη Γαλλία, κατάφεραν να σημειώσουν μια σημαντική ανακάλυψη σε εργαστηριακά πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στα Εργαστήρια Υψηλής Πίεσης του GFZ. Η πειραματική τους διάταξη τους επέτρεψε να μετρήσουν ταχύτητες κυμάτων σε έναν κύλινδρο ψαμμίτη 10 εκατοστών κατά μήκος διαφόρων κατευθύνσεων διάδοσης με εξαιρετικά υψηλό βαθμό ακρίβειας. Τα ευρήματα δημοσιεύονται στο περιοδικό Nature Communications .
Το δείγμα υποβλήθηκε σε ποικίλα επίπεδα τάσης κατά μήκος του άξονα του κυλίνδρου. Με αυτόν τον τρόπο έδειξε ότι, όπως αναμενόταν, οι στατικές επιδράσεις της φόρτισης επηρέασαν έντονα τα κύματα κατά μήκος του κύριου άξονα, ενώ άφησαν τα κύματα κατά μήκος της διαμέτρου σχετικά ανεπηρέαστα. Ωστόσο, οι χρονικά εξαρτώμενες επιδράσεις, δηλαδή η ξαφνική βλάβη και η μακρά επούλωση, παρατηρήθηκαν σταθερά κατά μήκος κάθε κατεύθυνσης διάδοσης.
Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι χρονικά εξαρτώμενες επιδράσεις δεν προκαλούνται από επαφές κόκκων που συμπιέζονται περισσότερο ή λιγότερο μεταξύ τους. Αντίθετα, αυτές οι επιδράσεις μπορούν να εντοπιστούν σε επίπεδα επαφής που ολισθαίνουν μεταξύ τους, ανεξάρτητα από το αν το φορτίο εφαρμόζεται ή απελευθερώνεται.
Οι επιδράσεις της τριβής κατά μήκος των επαφών μέσα στο υλικό έχουν προταθεί εδώ και καιρό ως υπεύθυνες για αυτές τις χρονικά εξαρτώμενες αλλαγές στις ταχύτητες των κυμάτων. Ωστόσο, αυτή η μελέτη της ανισοτροπίας των αλλαγών ταχύτητας - δηλαδή της κατευθυντικής τους εξάρτησης - παρέχει σημαντικά στοιχεία υπέρ αυτής της ερμηνείας. Με βάση αυτά τα ευρήματα, μπορούν να αναπτυχθούν μοντέλα για την καλύτερη περιγραφή και πρόβλεψη των χρονικά εξαρτώμενων αλλαγών των μηχανικών ιδιοτήτων σε βράχους και γεωτεχνικά υλικά.
Γεωδίφης με πληροφορίες από τη σελίδα phys.org
Manuel Asnar et al, Anisotropy reveals contact sliding and aging as a cause of post-seismic velocity changes, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62667-0
Κέντρο Γεωεπιστημών GFZ Helmholtz
https://phys.org/news/2025-08-seismic-slower-shortly-earthquake.html#google_vignette