„Sonický třesk“ pod zemí

„Sonický třesk“ pod zemí

Fyzika / článek

Zemětřesení se může chovat jako bumerang a nebývalou rychlostí se vrátit na místo svého vzniku. Zjistili to autoři mezinárodní studie, kterou začátkem srpna zveřejnil prestižní časopis Nature Geoscience.

Transformní zlom Romanche s vyznačeným pohybem tektonických desek (zdroj: NOAA)
Transformní zlom Romanche s vyznačeným pohybem tektonických desek (zdroj: NOAA)

Na studii se podíleli odborníci z deseti různých výzkumných institucí včetně Matematicko-fyzikální fakulty UK. Třináctičlenný vědecký tým analyzoval zemětřesení o síle 7.1 stupňů, ke kterému došlo před čtyřmi lety hluboko pod oceánským dnem, v rovníkové části Středoatlantského hřbetu, na tzv. transformním zlomu Romanche.

Autoři zjistili, že smyková trhlina, která vzniká při zemětřesení po náhlém uvolnění zaklesnutých litosférických desek, se nejprve šířila ze zemského pláště do kůry východním směrem, ale poté se nečekaně otočila a pokračovala zpět k západu. Po tomto obratu se trhlina šířila rychlostí asi 5000 m/s, tedy rychleji než příčné seismické vlny. Tento jev (tzv. superstřih) je geologickou obdobou letu nadzvukovou rychlostí.

Vědeckému týmu, který vedl dr. Stephen Hicks z Imperial College London, se podařilo přinést jeden z vůbec prvních přímých důkazů o výskytu takového typu zemětřesení na Zemi. To díky svému charakteru dostalo přezdívku „bumerang“.

Nové poznatky by mohly sloužit ke zdokonalení systémů včasného varování, a tak do budoucna pomoci zmírnit následky velkých zemětřesení na pevnině.

Podrobnosti přibližuje v krátkém rozhovoru spoluautor studie prof. Jiří Zahradník z Katedry geofyziky MFF UK:

Čím je zajímavé zemětřesení, ke kterému došlo v roce 2016 pod Atlantským oceánem?

Jednalo se o jedno z nejsilnějších zemětřesení, jaká vznikají poblíž oceánských hřbetů, kde vulkanismus vytváří novou zemskou kůru. Konkrétně šlo o oblast tzv. transformního zlomu Romanche, na němž se litosférické desky zformované na hřbetu posunují vůči sobě vodorovně (a mimochodem proto taková zemětřesení nevyvolávají tsunami). Části rozhraní neumožňují volný prokluz desek a zemětřesení vznikne, když se kontakt po mnoha letech zaklesnutí náhle uvolní. Na pevnině je to principiálně podobné, ale oceánská zemětřesení mají poněkud jiné materiálové a teplotní podmínky a jsou fyzikálně daleko méně probádaná. Mimořádně zajímavá byla možnost použít dosud vzácná měření podmořských stanic Ocean Bottom Seismographs (OBS).

Vedoucí výzkumu, dr. Hicks z Imperial College London, propojil odborníky z deseti institucí v šesti zemích, takže se podařilo kombinovat OBS s globálními seismickými sítěmi a unikátní měření nápaditě interpretovat. Ukázalo se, že zemětřesení na zlomu Romanche začalo pod zemskou kůrou, trhlina se nejprve šířila z pláště do kůry východním směrem, a pak se obrátila k západu. Komentátoři v National Geographic to výstižně nazvali „bumerang”. Po zmíněném obratu se smyková trhlina šířila vyšší rychlostí než příčné (neboli střižné) seismické vlny. Tento jev, tzv. superstřih, je obdobou letu nadzvukovou rychlostí. Machův kužel se podařilo zjistit na seismogramech daleko od zdroje, v Severní a Jižní Americe, kde ovšem nezpůsobil žádné nepříjemnosti. Jev byl dosud prokázán u méně než dvaceti zemětřesení.

Jde tedy o vzácný jev?

Z pohledu vniku a šíření trhlin na zlomech se daří zemětřesení analyzovat teprve v posledních letech. Proto se nám tyto jevy mohou zdát vzácné, jsou však vysvětlitelné. Skupina na Katedře geofyziky MFF UK pod vedením doc. Františka Galloviče se modelováním dynamiky trhlin při zemětřesení intenzivně zabývá a je už mezinárodně konkurenceschopná. Simulují například i segmentované zlomy, na nichž se superstřižná trhlina vyskytuje lokálně, zatímco zbytek zlomu má standardní rychlost trhlin.

Jak komplikované je takovéto zemětřesení analyzovat?

Pro svou velkou vzdálenost od pozemních stanic je každé zemětřesení na oceánech poněkud složitější, protože pro detailní analýzu potřebujeme blízká pozorování. V tomto případě zásadním způsobem pomohla zmíněná dočasná síť podmořských stanic OBS. Síť byla v Atlantiku vybudována pro výzkum rozhraní mezi litosférou a astenosférou v rámci dvou velkých mezinárodních projektů PI-LAB a EURO-LAB. Silné zemětřesení v průběhu 12měsíčního měření představovalo tedy vědecký „bonus“. Kromě hlavního otřesu bylo nutno studovat i následné slabší jevy – dotřesy, a to je obtížné i pomocí OBS. Naše pracoviště není součástí těchto projektů, proto bylo pro nás cenné zúčastnit se interpretace dat.

Jak velké nebezpečí tento typ zemětřesení představuje? Proč si zaslouží pozornost?

Hlavní překážkou pochopení, a tedy i případné předpovědi jakýchkoli zemětřesení je, že dobře neznáme zákony tření, které vznik a šíření trhlin na zlomu řídí. Přesněji řečeno, nevíme, který ze zákonů zjištěných v laboratorních podmínkách funguje na konkrétním místě zlomu a jak se vlastnosti zlomu mění v čase - při sekundových procesech během zemětřesení nebo při jeho mnohaleté přípravě. Zemětřesení na pevnině jsou blíže lidem, takže představují větší ohrožení. Chráníme se před nimi např. systémy včasného varování. Zemětřesení Romanche ale upozornilo na jistou slabinu. Pro dobré varování potřebujeme výpočetní odhad očekávaných silných seismických vln. Pokud detekujeme, že trhlina běží východním směrem, a ona pak změní směr, jako tomu bylo u Romanche, může být výpočetní odhad špatný. Systémy varování se těmito novými poznatky obohatí.

Jste spoluautorem výzkumu, na jaké části analýzy jste se konkrétně podílel?

Můj přínos byl hlavně v počátečním stádiu, když z dat začala krystalizovat hypotéza o tom, že zemětřesení mělo několik epizod. K identifikaci takových kaskádních nebo, řekněme, vícenásobných, členitých jevů a jejich momentových tenzorů slouží software ISOLA, který vyvíjíme a postupně zdokonalujeme ve spolupráci s prof. E. Sokosem z univerzity v Patrasu. (Jde o širší spolupráci, neboť v Řecku naše katedra vybudovala a již přes 20 let provozuje síť seismických stanic.) Dr. S. Hicks je jedním ze zkušených uživatelů našich výpočetních programů, proto po nich sáhl v první etapě, kdy analyzoval OBS data, a skutečně, zemětřesení mělo prokazatelně charakter dvojnásobného jevu, „dvojčete“. Pak ostatní členové týmu přidali další metody k ověření hypotézy zlomové heterogenity. Společné diskuse mě velmi obohatily, nikdy předtím jsem se zemětřesením na oceánu nezabýval.

Jakým jevům jste se doposud výzkumně věnoval?

Pochopitelně nejvíce se na Katedře geofyziky věnujeme silným zemětřesením v Řecku, to je naše „srdeční záležitost“. Ale v mezinárodní rodině uživatelů softwaru ISOLA jsme se v poslední době dostali i k velmi pestré množině jiných překvapivých jevů, které jsme vysvětlili jako heterogenní zlomové procesy. Např. „trojče“ při posledním ničivém zemětřesení v Turecku v lednu 2020 se chovalo podobně jako „bumerang“ na zlomu Romanche. „Dvojče“ v Číně odhalilo dosud neznámý zlom, v přirozeném napěťovém poli zemské kůry stabilní, avšak aktivovaný podzemní injektáží kapalin v solných dolech; kombinace s jiným zlomem vysvětlila, proč se zemětřesení zdánlivě jevilo jako nesmykové. Severokorejský jaderný test v r. 2017 bylo možno, zjednodušeně řečeno, interpretovat jako explozi a následnou implozi. Členitost není výjimečnou vlastností zemětřesení v zemské kůře. Například v Jižní Americe se „dvojče“ silných zemětřesení v roce 2015 vyskytlo v hloubce 600 km, uvnitř desky Nazca, která se zasunuje pod kontinent. K jeho pochopení přispěly až numerické simulace, kterými kolegyně doc. Hana Čížková objasnila mineralogické, napěťové a teplotní podmínky v subdukující desce. V hloubkách 600-700 km je samotný vznik zemětřesení jako smykových trhlin stále předmětem velkých diskusí, ještě mnohem více než na oceánských hřbetech. Seismologie je vzrušující fyzika, mám radost, že zajímá tolik mladých lidí po celém světě.


Mohlo by vás také zajímat:

Jak ochladit Prahu
Od objevu k patentu
Umělá inteligence píše divadelní hru

prof. RNDr. Jiří Zahradník, DrSc.

Působí na Katedře geofyziky MFF UK, kterou v minulosti třináct let vedl. Věnuje se především numerickému modelování zemětřesení. Od roku 1997 ve spolupráci s kolegy z MFF UK a z univerzity v Patrasu provozuje síť seismických stanic v Řecku, které je ohroženo častými zemětřeseními. Společně na toto téma publikovali řadu článků. Od roku 2004 do roku 2006 byl viceprezidentem Evropské seismologické komise. Přednáší seismologii, dříve také přehled geofyziky, stavbu Země a numerické metody v geofyzice. Do zahraničí jezdí přednášet o softwaru ISOLA, zejména do zemí Latinské Ameriky. Je autorem cca 100 vědeckých publikací. Katedru geofyziky zapojil do několika mezinárodních projektů Evropské unie. Za rozvoj oboru mu v loňském roce Akademie věd ČR udělila medaili Ernsta Macha.