Subsurface fault geometries in inland Hokkaido from geometric clustering of dense hypocenter distributions

تحت سطح الأرض، لا تعتبر التربة قشرة صلبة غير منقطعة؛ بل هي متصدعة بفعل شقوق ضخمة تسمى الفوالق، حيث تحتك الصفائح التكتونية ببعضها البعض. وعندما يتراكم الإجهاد على طول هذه الشقوق ثم يتحرر أخيراً، تكون النتيجة زلزالاً. وبالنسبة للعلماء الذين يحاولون التنبؤ بمكان وقوة اهتزاز الأرض، فإن معرفة الشكل والاتجاه الدقيق لهذه الشقوق الخفية أمر ضروري. ومع ذلك، بينما يمكن لعلماء الجيولوجيا رسم خرائط للفوالق التي تكسر السطح، فإن الغالبية العظمى من الزلازل الخطيرة تحدث في "فوالق عمياء" لا تصل أبداً إلى الأعلى. هذه الهياكل غير المرئية تقع في أعماق الأرض، مما يجعل من المستحيل تقريباً رؤيتها باستخدام الأدوات التقليدية مثل صور الأقمار الصناعية أو المسوحات السطحية. وبدون صورة واضحة لهذه الهندسات الخفية، يصعب فهم كيفية انتقال الإجهاد عبر القشرة الأرضية أو تقييم مخاطر الكوارث المستقبلية بدقة.

في جزيرة هوكايدو اليابانية الشمالية، يبدو هذا التحدي حاداً بشكل خاص. تقع المنطقة عند ملتقى معقد حيث تصطدم عدة صفائح تكتونية ضخمة وتنزلق بجانب بعضها البعض. يولد هذا النشاط التكتوني زلازل متكررة، ومع ذلك، لا تزال العديد من الفوالق المسؤولة عنها مجهولة لأنها مدفونة في أعماق التربة أو مخفية تحت طبقات سميكة من الثلوج والنباتات. ولحل هذا اللغز، لجأ فريق من الباحثين إلى الزلازل نفسها. فمن خلال تحليل المواقع الدقيقة لآلاف الهزات الصغيرة التي حدثت على مدار العقدين الماضيين، تمكنوا من إعادة بناء الأشكال ثلاثية الأبعاد للفوالق التي تسببت فيها. ويوفر عملهم أول خريطة شاملة لهذه الهياكل الخفية عبر منطقة الداخل في هوكايدو بأكملها، كاشفاً عن مشهد من الشقوق العميقة وشديدة الانحدار التي تختلف اختلافاً جوهرياً عما اقترحته الخرائط السطحية.

بدأ الباحثون بالاستماع إلى الأرض بأذن حساسة للغاية. فقد جمعوا تسجيلات مستمرة من شبكة كثيفة من أجهزة قياس الزلازل المنتشرة في أنحاء هوكايدو، حيث رصدوا كل اهتزاز من عام 2004 إلى عام 2024. وباستخدام نماذج حاسوبية متطورة مدربة على التعرف على الإشارات الخافتة للزلازل، حددوا مئات الآلاف من الأحداث الزلزالية التي فاتتها الطرق التقليدية. كان الكثير منها هزات ضئيلة جداً، بحيث لا يشعر بها البشر، لكنها شكلت معاً سحابة مفصلة من النقاط التي تحدد مكان انكسار الأرض. ثم قام الفريق بتنقيح موقع كل حدث بدقة متناهية، مع التصحيح لواقع أن الموجات الزلزالية تنتقل بسرعات مختلفة عبر أنواع مختلفة من الصخور. أدت هذه العملية إلى إنتاج خريطة دقيقة للغاية لمواقع حدوث الزلازل، مما حول النشاط الزلزالي فعلياً إلى خطوط مضيئة توضح معالم خطوط الفوالق غير المرئية.

ومع امتلاك هذه السحابة الكثيفة من مواقع الزلازل، طبق الفريق طريقة جديدة لإيجاد المستويات المسطحة التي تمثل الفوالق. لقد بحثوا عن أنماط في الطريقة التي تتجمع بها النقاط، حيث تعاملوا مع مجموعة مواقع الزلازل كأنها سحابة من الغبار التي تستقر طبيعياً في شكل الشقوق التي انزلقت عبرها. ومن خلال تحليل اتجاه هذه التجمعات، استطاعوا تحديد اتجاه وانحدار الفوالق. وكانت النتيجة إعادة بناء لـ 184 قطعة مستطيلة متميزة من الفوالق عبر داخل هوكايدو. وكشفت هذه النتائج أن المنطقة تهيمن عليها فوالق شديدة الانحدار وعالية الزاوية، تقع معظمها على عمق يتراوح بين 6 و12 كيلومتراً. وهذا العمق مهم لأنه يضع الزلازل بوضوح داخل القشرة العليا، وهي الطبقة الهشة من باطن الأرض حيث تتكسر الصخور بدلاً من أن تتدفق.

تروي الخريطة التي أنشأوها قصة واضحة حول القوى التكتونية التي تشكل الجزيرة. ففي وسط هوكايدو، تشكل الفوالق خطوطاً طويلة تمتد من الشمال إلى الجنوب، وتتماشى تماماً مع الحدود حيث يصطدم منطقتان جيولوجيتان رئيسيتان. منطقة الاصطدام هذه، المعروفة باسم منطقة اصطدام هيداكا، هي حيث تضغط قوس كوريل ضد قوس شمال شرق اليابان. ووجد الباحثون أن الفوالق في هذه المنطقة شديدة الانحناء ومنظمة جيداً، مما يشير إلى أن القشرة تتعرض للضغط والكسر بطريقة محددة ويمكن التنبؤ بها. أما في شرق هوكايدو، فيتغير النمط؛ حيث تتجه الفوالق هنا من الشمال الشرقي إلى الجنوب الغربي، محاكية حركة شريحة من القشرة التي تُدفع جانبياً بواسطة صفيحة المحيط الهادئ المندسة. وتتطابق هذه الاتجاهات مع الحركة الأوسع للصفائح التكتونية، مما يؤكد أن الفوالق الخفية تستجيب مباشرة للقوى التي تحرك جيولوجيا المنطقة.

كان أحد أكثر الاكتشافات إثارة للدهشة هو عمق الفوالق في مناطق مختلفة. فبينما حدث معظم النشاط الزلزالي في القشرة العليا، وجد الباحثون فوالق عميقة تمتد إلى ما دون 20 كيلومتراً، ولكن فقط في الجزء الجنوبي من وسط هوكايدو. وتتوافق هذه المنطقة مع الجزء الأكثر سمكاً في القشرة، حيث أدى الاصطدام بين الأقواس التكتونية إلى تراكم الصخور. وفي المق المقابل، أظهرت المناطق البركانية في الشمال والغرب وجود فوالق ضحلة جداً، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن الحرارة الناتجة عن الصهارة والسوائل الساخنة تضعف الصخور، مما يمنع تكون شقوق عميقة. كما سلطت الدراسة الضوء على المناطق التي تكون فيها أنماط الفوالق معقدة ويصعب تحديدها، مثل الطرف الشمالي للجزيرة، حيث قد تؤدي الحركات البطيئة والزاحفة للقشرة إلى خلق مزيج فوضوي من الكسور.

ولاختبار موثوقية خريطتهم الجديدة، قارن الباحثون الفوالق التي أعادوا بناءها مع أنماط التمزق المعروفة لثمانية زلازل كبرى حدثت في المنطقة خلال العقدين الماضيين. ووجدوا أنه بالنسبة لستة من هذه الأحداث، طابقت الفوالق التي حددوها مستويات التمزق الفعلية بدقة ملحوظة، مع اختلاف بضع درجات فقط. وشمل ذلك زلزال عام 2018 المدمر في شرق إيبوري، حيث حدد نموذجهم بدقة الفالق شديد الانحدار والمائل شرقاً والذي تسبب في الكارثة. هذا الاتفاق يمنح العلماء الثقة في أن طريقتهم يمكن أن تنجح في كشف هندسة الفوالق حتى قبل وقوع زلزال كبير. كما يشير أيضاً إلى أن الفوالق الخفية التي رسموا خرائطها هي ذاتها التي من المرجح أن تسبب زلازل مستقبلية.

كما بحثت الدراسة في مدى احتمالية انزلاق هذه الفوالق مرة أخرى في ظل ظروف الإجهاد الحالية. ومن خلال حساب القوى المؤثرة على كل فالح، وجد البماثون أن الفوالق شديدة الانحدار على طول حدود الاصطدام المركزية مهيأة تماماً للفشل، مما يعني أنها تحت إجهاد عالٍ ومستعدة للكسر. في المقابل، أظهرت الفوالق التي تمتد على طول السلسلة البركانية في الشمال والشمال الشرقي والجنوب الغربي ميلاً أقل بكثير للانزلاق. ويشير هذا إلى أنه في هذه المناطق البركانية، تعمل الظروف المحلية - مثل الضغط العالي من السوائل تحت الأرض أو الاختلافات في مجال الإجهاد - على منع الفوالق من الفشل، أو ربما تغير طريقة سلوكها. وهذا التمييز أمر بالغ الأهمية لتقييم المخاطر، حيث يساعد في تحديد الأجزاء الأكثر عرضة للتمزق الفوري في المنطقة.

وعلى الرغم من نجاح الخريطة الجديدة، يقر الباحثون بحدودها. تعتمد الطريقة كلياً على وجود نشاط زلزالي كثيف؛ ففي المناطق التي يقل فيها حدوث الزلازل، مثل منخفض إيشيكاري وسهل توكاتشي، تظل الفوالق غير مرئية. وهذا يعني أنه بينما تغطي الخريطة جزءاً واسعاً من الجزيرة، إلا أنها لا تظهر بعد كل نظام من أنظمة الفوالق. بالإضافة إلى ذلك، فإن الافتراض بأن الفوالق عبارة عن مستويات مسطحة ومستطيلة هو تبسيط للواقع؛ إذ إن الفوالق في الواقع غالباً ما تكون منحنية ومعقدة. ومع ذلك، يرى الباحثون أن هذا النهج يوفر تقديراً أولياً صلباً، ويقدم مستوى من التفاصيل لم يكن ممكناً تحقيقه سابقاً. ومن خلال تحويل الهزات غير المرئية للأرض إلى صورة هندسية واضحة، يقدم هذا العمل أساساً جديداً لفهم المخاطر الزلزالية في هوكايدو ويوفر نموذجاً لكيفية رسم خرائط الهياكل الخفية المماثلة في مناطق أخرى نشطة تكتونياً حول العالم.