انرژی کرنشی الاستیک ذخیره‌شده که باعث وقوع زلزله می‌شود

هنگامی که زمین در طول یک زلزله بزرگ به شدت می‌شکافد، ویرانی حاصل از آن نتیجه یک برخورد ناگهانی نیست، بلکه آزادسازی نهایی انرژی کرنشی الاستیک است که طی دهه‌ها در سکوت انباشته شده است. پوسته زمین مانند یک فنر عظیم زمین‌شناختی عمل می‌کند و حرکت بی‌وقفه صفحات تکتونیکی را تا زمانی که در نهایت بر اصطکاک نگه‌دارنده گسل غلبه شود، جذب می‌کند.[1][3]

این مکانیسم که به عنوان نظریه بازگشت الاستیک شناخته می‌شود، برای اولین بار توسط زمین‌شناسی به نام هری فیلدینگ رید پس از زلزله ویرانگر سال ۱۹۰۶ سانفرانسیسکو مطرح شد. پیش از گسیختگی، صخره‌های دو طرف خط گسل توسط اصطکاک به یکدیگر قفل می‌شوند، حتی در شرایطی که صفحات تکتونیکی زیر آن‌ها با سرعت چند سانتی‌متر در سال به حرکت خود ادامه می‌دهند.[3][4]

با حرکت صفحات، صخره‌های قفل‌شده نمی‌توانند از کنار یکدیگر بلغزند و این امر باعث می‌شود که در طول زمان خم شده و تغییر شکل دهند. سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده توضیح می‌دهد که «یک گسل تا زمانی که کرنش انباشته‌شده در صخره‌های دو طرف آن بر اصطکاک غلبه نکند، گیر کرده باقی می‌ماند.»[1]

هنگامی که تنش انباشته‌شده از آستانه اصطکاک فراتر می‌رود، صخره به شکل اولیه و بدون کرنش خود بازمی‌گردد؛ فرآیندی که انرژی ذخیره‌شده را آزاد می‌کند. بر اساس گزارش سازمان زمین‌شناسی بریتانیا، این حرکت «انرژی 'کرنش الاستیک' ذخیره‌شده را به شکل امواج لرزه‌ای آزاد می‌کند که در سراسر زمین منتشر شده و باعث لرزش سطح زمین می‌شوند.»[3]

حجم عظیم انرژی درگیر در این فرآیند حیرت‌انگیز است. در جریان زلزله ۹٫۰ ریشتری توهوکو در سال ۲۰۱۱ در ژاپن، محققانی که جابه‌جایی‌های هم‌لرزه‌ای را از ۱٬۰۲۴ ایستگاه جی‌پی‌اس در سراسر شبکه ژئونت تجزیه و تحلیل می‌کردند، محاسبه کردند که کل انرژی کرنشی آزادشده برابر با ۱٫۷۵ × ۱۰^۱۷ ژول بوده است.[6]

این رقم با ۱٫۹ × ۱۰^۱۷ ژول انرژی لرزه‌ای ساطع‌شده که توسط سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده در همان رویداد مشاهده شد، مطابقت نزدیکی دارد. نکته قابل توجه این است که اگرچه آزادسازی انرژی در نزدیکی مرکز زلزله متمرکز بود، اما حدود ۱۲ درصد از کل انرژی در سراسر جزایر ژاپن در فواصل بیش از ۵۰۰ کیلومتری تخلیه شد.[6]

با این حال، تمام انرژی کرنشی الاستیک ذخیره‌شده به امواج لرزه‌ای لرزاننده زمین تبدیل نمی‌شود. بخشی از آن صرف فرآیند فیزیکی شکستن سنگ، که به عنوان انرژی شکست شناخته می‌شود، و همچنین افزایش فشار حرارتی و گرمایش اصطکاکی در امتداد صفحه گسل می‌گردد.[5][7]

مدل‌سازی دینامیکی اخیر که در سال ۲۰۲۲ توسط مؤسسه ملی بهداشت منتشر شد، نشان می‌دهد که انرژی فروپاشی یک زلزله با میزان لغزش متناسب است، حتی اگر انرژی شکست زیربنایی در حدود ۱۰ ژول بر متر مربع نسبتاً ثابت باقی بماند.[5]

این مطالعه نشان می‌دهد که این تناسب به دلیل «فراجهش افت تنش مستقل از مقیاس» رخ می‌دهد که میانگین آن بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ کیلوپاسکال است. این امر حاکی از آن است که خروجی مخرب یک زلزله کمتر به مقاومت مصالح پوسته و بیشتر به حالت کلی گسیختگی بستگی دارد؛ خواه مانند یک ترک منتشر شود یا یک پالس کرم‌مانند.[5]

درک تعادل دقیق میان انرژی کرنشی الاستیک ذخیره‌شده، انرژی شکست و امواج لرزه‌ای ساطع‌شده برای زلزله‌شناسی مدرن حیاتی است. دانشمندان با نقشه‌برداری از نحوه انباشت کرنش در امتداد مناطق تکتونیکی شناخته‌شده، می‌توانند بهتر تشخیص دهند که کدام بخش‌های گسل قفل شده و برای یک بازگشت الاستیک در آینده آماده هستند و بدین ترتیب به هدف نهایی یعنی پیش‌بینی دقیق خطرات لرزه‌ای نزدیک‌تر شوند.[2][6]