DOI: https://doi.org/10.1029/2024gl109224
تاريخ النشر: 2024-06-08
المؤلف: Ryo Okuwaki وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات الزلازل والتكتونيات
نظرة عامة
في 1 يناير 2024، ضرب زلزال بقوة 7.5 درجة على مقياس العزم شبه جزيرة نوتو في وسط اليابان، مما أسفر عن أضرار كبيرة وما لا يقل عن 245 ضحية. باستخدام طريقة عكس موتر الكثافة-القدرة على بيانات موجات P التلسيسمية، قام الباحثون بتحليل تطور الانكسار لهذا الزلزال، كاشفين عن توزيع معقد للانزلاق الزمني المكاني عبر أنظمة الفوالق المجزأة. تشير النتائج إلى مرحلة انكسار أولية مدتها 10 ثوانٍ تزامنت مع منطقة من أسراب الزلازل السابقة والتشوه غير الزلزالي، تلتها ثلاث حلقات انكسار متميزة على فوالق موجهة بشكل مختلف. تشير هذه السلوكيات غير المنتظمة للانكسار إلى أن النشاط الزلزالي السابق والتعقيدات الهندسية لشبكة الفوالق لعبت أدوارًا حاسمة في ديناميات الزلزال.
تؤكد الدراسة على أهمية فهم حلقات الانكسار المنفصلة وتفاعلاتها داخل شبكة فوالق مجزأة، مما يمكن أن يعزز بشكل كبير تقييمات مخاطر الزلازل. تسلط مرحلة الانكسار الهادئة الأولية، التي تتميز بتداخلها مع منطقة أسراب الزلازل، الضوء على إمكانية وجود عدم استقرار ديناميكي يمكن أن يؤدي إلى انكسارات كبرى لاحقة. تسهم هذه الأبحاث في الفهم الأوسع لفيزياء مصادر الزلازل وتؤكد على ضرورة مراعاة التفاعلات المعقدة للفوالق في التنبؤ بمخاطر الزلازل المستقبلية.
مقدمة
تسلط مقدمة الورقة الضوء على الاعتراف المتزايد بسلوكيات الانكسار الزلزالي المعقدة، مثل التحفيز المتعدد، تسارع الانكسار المؤقت وإبطائه، والانتشار العكسي. تتأثر هذه السلوكيات بالتكوينات المعقدة لشبكات الفوالق، والتي يمكن أن تؤدي إلى انكسارات متسلسلة متعددة المقاييس في اتجاهات مختلفة. حتى أنظمة الفوالق التي تبدو بسيطة يمكن أن تظهر ديناميات انكسار معقدة بسبب الحواجز غير المتجانسة الناتجة عن اختلافات في طاقة الكسر أو القوة. يعد فهم هذه السلوكيات المتنوعة للانكسار أمرًا بالغ الأهمية لتقدم فيزياء مصادر الزلازل وتحسين تقييمات المخاطر، لا سيما في المناطق ذات الشبكات الفالق المعقدة مثل شبه جزيرة نوتو في وسط اليابان.
تتميز شبه جزيرة نوتو بشبكة فوالق مجزأة ناتجة عن عمليات تكتونية تاريخية، بما في ذلك الانكسار العكسي بسبب الضغط الموجه من الشمال الغربي إلى الجنوب الشرقي. تؤكد النشاط الزلزالي الأخير، بما في ذلك الزلزال الكبير بقوة 7.5 درجة على مقياس العزم (M_W) في 2024، على مخاطر الزلازل في المنطقة، مع تأثيرات كبيرة على البنية التحتية وحياة البشر. تشير توابع الزلزال وأنماط التشوه إلى هندسة فالق معقدة، مما يتحدى الافتراضات التقليدية حول سلوك الفوالق. لتحليل حدث 2024، يستخدم المؤلفون طريقة عكس موتر الكثافة-القدرة (PDTI)، مما يسمح بفهم دقيق لتطور الانكسار دون افتراضات هندسية صارمة. تهدف الدراسة إلى توضيح العلاقة بين سرب الزلازل الذي سبق الزلزال الرئيسي والسلوك غير المنتظم الناتج عن الانكسار، مما يسهم في فهم أعمق للعمليات الزلزالية في هذا البيئة غير المتجانسة.
طرق
في هذا القسم، يناقش المؤلفون المنهجيات المستخدمة لتحليل عملية المصدر لزلزال شبه جزيرة نوتو في 2024، مع التأكيد على قيود طرق عكس الفالق المحدودة التقليدية التي تفرض افتراضات صارمة حول هندسة الفالق. يقدمون طريقة عكس موتر الكثافة-القدرة (PDTI)، التي تسمح بتمثيل أكثر مرونة لانزلاق الفالق كمركب من موترات العزم ذات الأساس الخمسة، بغض النظر عن مستوى الفالق المحدد. تقلل هذه الطريقة من تحيزات النمذجة وتعزز قوة نمذجة مصدر الزلزال عبر إعدادات تكتونية مختلفة.
تستخدم الدراسة تكوينين نموذجيين للفالق: نموذج مزدوج مع مستويات مائلة نحو الجنوب الشرقي والشمال الغربي ونموذج فردي مائل نحو الجنوب الشرقي. يتم تقسيم كلا النموذجين إلى فوالق فرعية، حيث يتم تحليل النموذج المزدوج بشكل أساسي من حيث تأثيراته على عملية الانكسار. يستخدم المؤلفون بيانات موجات الجسم التلسيسمية من 32 محطة عريضة النطاق، مع التركيز على وصول موجات P الواضحة لضمان تحليل موثوق. تتضمن النمذجة جبهة انكسار افتراضية ودالة زمن الانزلاق، مما يسمح بسلوكيات انكسار معقدة. تشير النتائج إلى أن اختيار نموذج السرعة له تأثير ضئيل على النتائج، مما يعزز فعالية طريقة PDTI في التقاط ديناميات مصدر الزلزال.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة حول زلزال شبه جزيرة نوتو في 2024، كما هو موضح في الأشكال 2 و3 و4، عن تسلسل من حلقات الانكسار المنفصلة (E1 وE2 وE3) بعد حلقة انكسار هادئة أولية (E0) استمرت حوالي 10 ثوانٍ بالقرب من مركز الزلزال. اللحظة الزلزالية الإجمالية المحسوبة للحدث هي $2.5 \times 10^{20} \, \text{N m}$، مما يتوافق مع قوة لحظة (M_W) تبلغ 7.5. تشير آلية الفالق، المستمدة من التكامل الزمني المكاني لموترات الكثافة-القدرة، إلى سلوك انكسار عكسي يتميز بالضغط من الشمال الغربي إلى الجنوب الشرقي، كما هو موضح في الشكل 1.
تؤكد التحليلات بشكل أساسي على النتائج المستمدة من فالق النموذج المزدوج، على الرغم من ملاحظة أوجه التشابه في تطور الانكسار وهندسة الفالق بين الفوالق المزدوجة والفردية، كما هو موضح في الأشكال S7 وS8 من المعلومات الداعمة S1. كما تعترف هذه القسم بأن الاختلافات بين النماذج قد تؤثر على تفسير النتائج، والتي يتم توضيحها بشكل أكبر في القسم 4.
مناقشة
تقدم قسم المناقشة في ورقة البحث حول زلزال شبه جزيرة نوتو في 2024 تحليلًا مفصلًا لحلقات الانكسار المرتبطة بالحدث. تحدد أربع مراحل انكسار متميزة: حلقة انكسار أولية صغيرة (E0) استمرت 10 ثوانٍ، تليها حلقتان رئيسيتان (E2 وE3) تحدثان في الأقسام الغربية والشرقية، على التوالي. تكشف التحليلات أن E0 تمثل 1% من اللحظة الزلزالية الإجمالية، مع ملاحظة انكسار عكسي عند زاوية انزلاق تبلغ 68°. تظهر الحلقات اللاحقة (E1 وE2 وE3) اتجاهات انزلاق وأعماق متغيرة، مما يشير إلى تفاعل معقد بين مقاطع الفالق. من الجدير بالذكر أن E2 وE3 تحدثان تقريبًا في نفس الوقت ولكن تفصل بينهما منطقة المركز، مما يشير إلى نمو انكسار متعدد المقاييس يتأثر بهندسة نظام الفالق.
تؤكد النتائج على دور أسراب الزلازل السابقة في تشكيل سلوك الانكسار، لا سيما المرحلة الأولية الطويلة لـ E0، التي تتداخل مع منطقة السرب. يشير هذا إلى أن العمليات غير الزلزالية الناتجة عن السوائل قد تكون قد ساهمت في الديناميات غير المنتظمة للانكسار الملاحظة. تختتم الدراسة بالقول إن الطبيعة المجزأة لانكسارات الفالق، المميزة باتجاهات وأعماق مختلفة، تسلط الضوء على أهمية مراعاة التفاعلات مع الأنشطة الزلزالية السابقة عند تقييم مخاطر الزلازل المستقبلية. تؤكد النتائج على تعقيد عملية الانكسار والحاجة إلى نماذج شاملة تأخذ في الاعتبار تأثير الظروف الجيولوجية المحيطة.
DOI: https://doi.org/10.1029/2024gl109224
Publication Date: 2024-06-08
Author(s): Ryo Okuwaki et al.
Primary Topic: earthquake and tectonic studies
Overview
On January 1, 2024, a moment magnitude 7.5 earthquake struck the Noto Peninsula in central Japan, resulting in significant damage and at least 245 casualties. Utilizing the potency-density tensor inversion method on teleseismic P-wave data, researchers analyzed the rupture evolution of this earthquake, revealing a complex spatiotemporal slip distribution across segmented fault systems. The findings indicate an initial 10-second rupture phase that coincided with a region of prior earthquake swarms and aseismic deformation, followed by three distinct rupture episodes on differently oriented faults. This irregular rupture behavior suggests that the preceding seismic activity and the geometric intricacies of the fault network played crucial roles in the earthquake’s dynamics.
The study emphasizes the importance of understanding the discrete rupture episodes and their interactions within a segmented fault network, which can significantly enhance earthquake hazard assessments. The initial quiet rupture phase, characterized by its overlap with the earthquake swarm region, highlights the potential for dynamic instabilities that can trigger subsequent major ruptures. This research contributes to the broader understanding of earthquake source physics and underscores the necessity of considering complex fault interactions in predicting future seismic hazards.
Introduction
The introduction of the paper highlights the increasing recognition of complex earthquake rupture behaviors, such as multiplex triggering, transient rupture acceleration and deceleration, and backward propagation. These behaviors are influenced by the intricate configurations of fault networks, which can lead to multi-scale cascading ruptures with varying directions. Even seemingly simple fault systems can exhibit complex rupture dynamics due to inhomogeneous barriers caused by variations in fracture energy or strength. Understanding these diverse rupture behaviors is crucial for advancing earthquake-source physics and improving hazard assessments, particularly in regions with complex fault networks like the Noto Peninsula in central Japan.
The Noto Peninsula is characterized by a segmented fault network resulting from historical tectonic processes, including reverse faulting due to northwest-southeast-oriented compression. Recent seismic activity, including the significant 2024 moment magnitude (M_W) 7.5 earthquake, underscores the region’s seismic risk, with substantial impacts on infrastructure and human life. The earthquake’s aftershocks and deformation patterns suggest a complex fault geometry, challenging traditional assumptions about fault behavior. To analyze the 2024 event, the authors employ a potency-density tensor inversion (PDTI) method, allowing for a nuanced understanding of rupture evolution without rigid geometric assumptions. The study aims to elucidate the relationship between the earthquake swarm preceding the mainshock and the resulting irregular rupture behavior, contributing to a deeper understanding of seismic processes in this heterogeneous environment.
Methods
In this section, the authors discuss the methodologies employed to analyze the source process of the 2024 Noto Peninsula earthquake, emphasizing the limitations of conventional finite-fault inversion methods that impose strict assumptions about fault geometry. They introduce the Potency-Density Tensor Inversion (PDTI) method, which allows for a more flexible representation of fault slip as a composite of five-basis moment tensors, independent of the prescribed fault plane. This approach mitigates modeling biases and enhances the robustness of earthquake source modeling across various tectonic settings.
The study utilizes two model fault configurations: a twin model with southeast- and northwest-dipping planes and a single southeast-dipping model. Both models are discretized into subfaults, with the twin model primarily analyzed for its implications on the rupture process. The authors employ teleseismic body wave data from 32 broadband stations, focusing on clear P-wave arrivals to ensure reliable analysis. The modeling incorporates a hypothetical rupture front and a slip time function, allowing for complex rupture behaviors. The results indicate that the choice of velocity model has minimal impact on the outcomes, reinforcing the effectiveness of the PDTI method in capturing the earthquake’s source dynamics.
Results
The results of the study on the 2024 Noto Peninsula earthquake, as depicted in Figures 2, 3, and 4, reveal a sequence of discrete rupture episodes (E1, E2, and E3) following an initial quiet rupture episode (E0) lasting approximately 10 seconds near the hypocenter. The total seismic moment calculated for the event is $2.5 \times 10^{20} \, \text{N m}$, corresponding to a moment magnitude ($M_W$) of 7.5. The faulting mechanism, derived from the space-time integration of potency-rate density tensors, indicates a reverse faulting behavior characterized by northwest-southeast compression, as illustrated in Figure 1.
The analysis primarily emphasizes results obtained from the twin model fault, although similarities in rupture evolution and fault geometry are noted between the twin and single model faults, as shown in Figures S7 and S8 of Supporting Information S1. The section also acknowledges that variations between the models may influence the interpretation of the findings, which are further elaborated in Section 4.
Discussion
The discussion section of the research paper on the 2024 Noto Peninsula earthquake presents a detailed analysis of the rupture episodes associated with the event. It identifies four distinct rupture phases: an initial minor rupture episode (E0) lasting 10 seconds, followed by two major episodes (E2 and E3) occurring in the western and eastern sections, respectively. The analysis reveals that E0 accounts for 1% of the total seismic moment, with reverse faulting observed at a strike angle of 68°. The subsequent episodes (E1, E2, and E3) exhibit varying strike orientations and depths, indicating a complex interaction of fault segments. Notably, E2 and E3 occur almost simultaneously but are separated by the hypocenter region, suggesting a multi-scale rupture growth influenced by the geometry of the fault system.
The findings emphasize the role of preceding earthquake swarms in shaping the rupture behavior, particularly the long initial phase of E0, which overlaps with the swarm region. This suggests that fluid-induced aseismic processes may have contributed to the irregular rupture dynamics observed. The study concludes that the segmented nature of the fault ruptures, characterized by different orientations and depths, highlights the importance of considering interactions with prior seismic activities when assessing future earthquake hazards. The results underscore the complexity of the rupture process and the need for comprehensive models that account for the influence of surrounding geological conditions.