Contrasting frequency-dependent seismic velocity responses in Northern Nagano and Mount Fuji regions after the 2011 Mw 9.0 Tohoku-Oki earthquake

إن قشرة الأرض ليست غلافاً استاتيكياً ثابتاً لا يتغير؛ بل هي نظام حي يتنفس، يتحرك ويستقر تحت وطأة القوى التكتونية. فعندما يضرب زلزال هائل، فإنه لا يكتفي بمجرد هز الأرض، بل يرسل موجة من الطاقة عبر الكوكب يمكنها أن تغير الخصائص الفيزيائية للصخور نفسها بشكل مؤقت. وقد عرف العلماء منذ زمن طويل أن السرعة التي تنتقل بها الموجات الزلزالية عبر الأرض يمكن أن تتغير بعد هزة كبرى. يحدث هذا لأن الاهتزاز الشديد يمكن أن يكسر الصخور، أو يعصر السوائل من المسام الدقيقة، أو يعيد ترتيب الإجهاد الذي يمسك القشرة معاً. ومن خلال الاستماع إلى الهدير المستمر ومنخفض المستوى للأرض — وهو الضجيج الناتج عن أمواج المحيط وارتطام الرياح بالساحل — يمكن للباحثين قياس هذه التحولات الطفيفة في السرعة. إنها وسيلة لأخذ نبض الكوكب لمعرفة كيف يتعافى، أو يفشل في التعافي، من صدمة ما. وفهم هذه التغييرات أمر بالغ الأهمية لأنها تكشف كيف تتفاعل أجزاء مختلفة من القشرة، خاصة تلك القريبة من البراكين أو خطوط الصدع، مع الإجهاد، مما يقدم أدلة حول الأماكن التي قد تكون فيها الأرض أكثر عرضة للأحداث المستقبلية.

وعقب زلزال توهوكو-أوكي الهائل الذي بلغت قوته 9.0 درجات في عام 2011، والذي دمر سواحل اليابان، استمرت الأرض في جميع أنحاء البلاد في الارتجاف عبر سلسلة من الهزات الارتدادية والأحداث الناجمة عنها. ومن بين هذه الأحداث، وقع زلزال بقوة 6.2 درجة في شمال ناغانو، وحدث آخر بقوة 6.0 درجات بالقرب من جبل فوجي. وقد شرع فريق من الباحثين في استقصاء كيفية استجابة القشرة في هاتين المنطقتين المتميزتين للصدمة العملاقة الأولية والزلازل المحلية اللاحقة. وركزوا على منطقتين محددتين: الجبهة البركانية بالقرب من جبل فوجي، والنطاق التكتوني حول زلزال شمال ناغانو. وباستخدام تقنية تعامل مع ضجيج الخلفية المستمر للأرض كإشارة، رسموا خرائط لكيفية تغير سرعة الموجات الزلزالية في الأيام والأسابيع التي تلت الكوارث. ومن خلال مقارنة شدة الاهتزاز المسجل في مواقع مختلفة مع التغيرات في سرعة الموجات، هدفوا إلى فهم سبب ميل بعض أجزاء الأرض لتصبح أكثر ليونة من غيرها.

كشفت الدراسة عن نمط واضح: في كلتا المنطقتين، تباطأت سرعة الأرض مباشرة بعد الزلازل، مما يشير إلى ضعف مؤقت في القشرة. ومع ذلك، فإن طبيعة هذا الضعف روت قصتين مختلفتين. فبالقرب من الجبهة البركانية، أظهرت الأرض انخفاضاً هائلاً في السرعة الزلزالية كان أكبر بكثير مما قد يتنبأ به شدة الاهتزاز وحده. وبدت هذه المناطق، التي هي بالفعل ساخنة وغنية بالسوائل، حساسة للغاية للإجهاد الديناميكي للموجات العابرة. ووجد الباحثون أن الأرض في هذه المناطق البركانية كانت مطاوعة للغاية، أو سهلة الاضطراب، لدرجة أن حتى الطاقة البعيدة الناتجة عن زلزال توهوكو-أوكي تسببت في رد فعل ملموس. وهذا يشرح أن الصخور الغنية بالسوائل والرخوة ميكانيكياً في المناطق البركانية تعمل بشكل مختلف عن القشرة القياسية، حيث تصبح أكثر طواعية بشكل ملحوظ عند تعرضها لاهتزاز قوي.

في المقابل، قدمت المنطقة المحيطة بزلزال شمال ناغانو صورة أكثر تعقيداً. فبينما أظهرت المناطق البركانية نمطاً واسع النطاق ومتسقاً من الحساسية يتلاشى عند فحص الموجات ذات التردد الأعلى، تصرف الشذوذ الموجود بالقرب من زلزال ناغانو بشكل مختلف. فقد أصبح هذا الموقع الموضعي لتباطؤ السرعة الزلزالية أكثر وضوحاً وانحصاراً عند فحصه عند ترددات أعلى. ولاحظ الباحثون أن هذا النمط المحدد لم يتطابق مع الحساسية البركانية الواسعة المشه see في أماكن أخرى. ولأن توقيت البيانات جعل من المستحيل الفصل بين آثار زلزال توهوكو-أوكي العملاق وبين الحدث المحلي اللاحائي بقوة 6.2 درجة، فإن الأصل الدقيق لهذا الشذوذ الموضعي يظل غير مؤكد. ومع ذلك، فإن توزيعه المكاني الفريد وكيفية تغيره عبر التردبات المختلفة يشير بقوة إلى أنه كان مدفوعاً باهتزاز الزلزل المحلي نفسه، وليس بالزلزال العملاق البعيد.

تسلط هذه النتائج الضوء على أن الأرض لا تستجيب للإجهاد بطريقة موحدة. فبينما تظهر المناطق البركانية حساسية واسعة تعتمد على التردد تشير إلى طبيعتها الغنية بالسوائل، يمكن للنطاقات التكتونية القريبة من الزلازل الأخيرة أن تظهر تغيرات حادة وموضعية تروي قصة مختلفة. وتخلص الدراسة إلى أنه لفهم كيفية تفاعل القشرة حقاً مع الأحداث الزلزالية الكبرى، يجب على العلماء مراعاة تأثير الزلازل المحلية المحفزة، والتي يمكن أن تترك بصماتها المتميزة الخاصة على الأرض. ومن خلال النظر في كيفية تباين هذه التغييرات عبر الترددات والمواقع المختلفة، يمكن للباحثين التمييز بشكل أفضل بين الاستجابات العميقة المدفوعة بالسوائل في البراكين وبين التعديلات الميكانيكية لنطاقات الصدوع، مما يوفر خريطة أوضح لكيفية تعافي كوكبنا بعد الصدمة.