ภายใน 48 ชั่วโมง ทะเลสาบลาวาที่ยอดเขาคีเลาเออา 12 ไมล์ทางตะวันตกเฉียงเหนือของปูอูโอก็เริ่มตกลงมาขณะที่แมกมาไหลลงสู่ท่อประปาของภูเขาไฟ ในไม่ช้า รอยแตกใหม่ก็เปิดออกทางตะวันออกของ Pu"u"ō"o 12 ไมล์ และลาวาที่หลอมละลายก็ปะทุออกมา คืบคลานไปตามถนน ต้นไม้ที่ถูกไฟไหม้ และเสาไฟฟ้าที่ถูกจุดไฟ

เป็นเวลากว่าสามเดือน คีเลาเอะพ่นลาวาออกมามากพอที่จะเติมสระว่ายน้ำขนาดโอลิมปิก 320,000 สระ ทำลายบ้านเรือนมากกว่า 700 หลัง และทำให้ผู้คนหลายพันคนต้องพลัดถิ่น ภูมิทัศน์บนยอดเขาได้เปลี่ยนแปลงไปเมื่อปล่องภูเขาไฟยุบลงไปถึง 1,500 ฟุตตลอดฤดูร้อน ในแบบที่นักวิทยาศาสตร์เพิ่งเริ่มจะเข้าใจ

"ในทั้ง 60 ปีของเครื่องมือธรณีฟิสิกส์ที่ทันสมัยของภูเขาไฟที่เราเคยมีเพียงครึ่งโหลยุบสมรภูมิ" มหาวิทยาลัยสแตนฟอธรณีฟิสิกส์พอล Segall ผู้เขียนนำการศึกษาใหม่ในกล่าวว่าการดำเนินการของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติที่จะช่วยอธิบายวิธีการ เหตุการณ์เหล่านี้คลี่คลายและพบหลักฐานยืนยันกระบวนทัศน์ทางวิทยาศาสตร์ที่ครองราชย์ว่าแรงเสียดทานทำงานอย่างไรกับความผิดพลาดของแผ่นดินไหว

ผลลัพธ์อาจช่วยในการแจ้งการประเมินอันตรายในอนาคตและความพยายามในการบรรเทาผลกระทบจากการปะทุของภูเขาไฟ "การปรับปรุงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับฟิสิกส์ที่ควบคุมการยุบตัวของแคลดีราจะช่วยให้เราเข้าใจสภาวะที่การยุบตัวเป็นไปได้ดีขึ้น และคาดการณ์วิวัฒนาการของลำดับการยุบเมื่อเริ่มต้นขึ้น" ผู้เขียนร่วม Kyle Anderson, PhD "12, นักธรณีฟิสิกส์กับ สำนักสำรวจทางธรณีวิทยาแห่งสหรัฐฯ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของทีมงานที่ทำงานในพื้นที่ที่เมืองคีเลาเอระหว่างการปะทุปี 2018

ลักษณะของแรงเสียดทาน

ปัจจัยสำคัญที่ควบคุมการยุบตัวของแอ่งภูเขาไฟและการแตกร้าวของรอยเลื่อนแผ่นดินไหวทั่วโลก คือการเสียดสี มีอยู่ทั่วไปในธรรมชาติและชีวิตประจำวันของเรา เข้ามาเล่นได้ทุกเมื่อที่พื้นผิวสองด้านเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน แต่ปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นผิวนั้นซับซ้อนมาก แม้จะศึกษามาหลายศตวรรษ นักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่เข้าใจอย่างถ่องแท้ว่าแรงเสียดทานมีพฤติกรรมอย่างไรในสถานการณ์ที่ต่างกัน "ไม่ใช่สิ่งที่เราสามารถคาดเดาได้ทั้งหมดโดยใช้สมการเท่านั้น เราต้องการข้อมูลจากการทดลองด้วย" เซกัลกล่าว

นักวิทยาศาสตร์ที่พยายามทำความเข้าใจบทบาทของแรงเสียดทานในแผ่นดินไหวมักจะทำการทดลองเหล่านี้ในห้องปฏิบัติการโดยใช้แผ่นหินที่มีขนาดใหญ่กว่าประตูและมักจะใกล้กับขนาดของสำรับไพ่ "หนึ่งในความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ในด้านวิทยาศาสตร์แผ่นดินไหวคือการนำกฎความเสียดทานเหล่านี้และค่านิยมที่พบในห้องปฏิบัติการมาประยุกต์ใช้กับข้อบกพร่องของซานแอนเดรียส เพราะมันเป็นการก้าวกระโดดครั้งใหญ่" เซกัลกล่าว , Cecil H. และ Ida M. Green ศาสตราจารย์ด้านธรณีฟิสิกส์ที่ School of Earth, Energy & Environmental Sciences ของ Stanford (Stanford Earth)

ในการศึกษาใหม่ซึ่งตีพิมพ์เมื่อวันที่ 23 กรกฎาคม Segall และ Anderson ได้ตรวจสอบการลื่นไถลและการเกาะติดของแผ่นถล่มของภูเขาไฟKīlauea ซึ่งเป็นเปลือกโลกหนาประมาณ 5 ไมล์ลึกครึ่งไมล์ เพื่อระบุลักษณะการเสียดสีในระดับที่ใหญ่กว่ามาก “เราตั้งใจที่จะพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของการล่มสลายนั้น เรียบง่ายมาก แต่ใช้ความเข้าใจสมัยใหม่เกี่ยวกับแรงเสียดทาน” Segall กล่าว

การล่มสลายของคิเลาเอ

แคลดีราของคีเลาเอไม่ได้ยุบลงไปอย่างราบเรียบ แต่เหมือนลูกสูบที่เหนียว ทุกๆ วันครึ่ง บล็อกยุบลดลงเกือบแปดฟุตภายในเวลาไม่กี่วินาที จากนั้นก็หยุดลง นั่นเป็นเพราะว่าเมื่อแมกมาในห้องใต้สมรภูมิพุ่งออกมาเป็นรอยแยกที่ปีกด้านตะวันออกตอนล่างของคีเลาเออา มันจึงตัดการสนับสนุนสำหรับหินที่วางอยู่ “ในที่สุด แรงดันจะลดลงจนพื้นตกลงมาและเริ่มยุบตัวลง เหมือนกับหลุมยุบ” เซกัลกล่าว

เมื่อการปะทุของคีเลาเออาในปี 2018 สิ้นสุดลง เหตุการณ์การยุบตัวที่เหมือนลูกสูบของภูเขาไฟซ้ำแล้วซ้ำอีก 62 ครั้ง โดยแต่ละครั้งจะทำให้เกิดแผ่นดินไหว และทุกการเคลื่อนไหวจะถูกติดตามไปจนถึงมิลลิเมตรทุก ๆ ห้าวินาทีโดยชุดเครื่องมือระบบกำหนดตำแหน่งทั่วโลก (GPS) 20 ชุด . ในช่วงเหตุการณ์การพังทลายสองสามโหลแรก เรขาคณิตของพื้นผิวหินเปลี่ยนไป แต่พวกมันยังคงมีเสถียรภาพในช่วง 30 สุดท้ายที่หยุดลง

งานวิจัยใหม่แสดงให้เห็นว่าสำหรับการปะทุประเภทนี้ เมื่อปล่องการปะทุอยู่ที่ระดับความสูงที่ต่ำกว่า มันจะนำไปสู่ความกดอากาศที่ลดลงมากขึ้นภายใต้บล็อกแคลดีรา ซึ่งทำให้มีโอกาสมากขึ้นที่เหตุการณ์การยุบตัวจะเริ่มขึ้น เมื่อเกิดการยุบตัว น้ำหนักของบล็อกแคลดีราขนาดใหญ่จะคงแรงกดดันต่อแมกมา บังคับให้ไปยังจุดปะทุ “ถ้าไม่ใช่เพราะการถล่ม การปะทุก็จะจบลงเร็วกว่านี้อย่างไม่ต้องสงสัย” เซกัลกล่าว

การพัฒนาแรงเสียดทาน

การวิเคราะห์ของ Segall และ Anderson เกี่ยวกับขุมข้อมูลจากแคลดีราที่ยุบตัวของคีเลาเออายืนยันว่า แม้แต่ที่ภูเขาไฟขนาดใหญ่นี้ พื้นผิวหินต่างๆ ลื่นไถลผ่านกันและกัน หรือเกาะที่ความเร็วและแรงกดดันต่างกันไปตามกาลเวลาก็มีความคล้ายคลึงกันมาก นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบในการทดลองในห้องปฏิบัติการขนาดเล็ก

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ผลลัพธ์ใหม่นี้ให้ขอบเขตบนสำหรับปัจจัยสำคัญในกลไกแผ่นดินไหวที่เรียกว่าระยะการลื่นไถล ซึ่งนักธรณีฟิสิกส์ใช้ในการคำนวณว่ารอยเลื่อนหลุดหายได้อย่างไร นี่คือระยะทางที่ความเสียดทานของรอยเลื่อนจะอ่อนลงก่อนจะแตกออก ซึ่งเป็นส่วนสำคัญในการสร้างแบบจำลองที่แม่นยำของความเสถียรและการสะสมของพลังงานจากรอยเลื่อนแผ่นดินไหว การทดลองในห้องปฏิบัติการได้แนะนำว่าระยะทางนี้อาจสั้นถึงหลายสิบไมครอน เทียบเท่ากับความกว้างของเส้นผมที่ประกบเป็นเศษๆ สักสองสามโหล ในขณะที่การประมาณการจากแผ่นดินไหวจริงระบุว่าอาจยาวถึง 20 เซนติเมตร

แบบจำลองใหม่นี้แสดงให้เห็นว่าวิวัฒนาการนี้เกิดขึ้นไม่เกิน 10 มม. และอาจน้อยกว่านี้มาก “ความไม่แน่นอนนั้นใหญ่กว่าในห้องปฏิบัติการ แต่คุณสมบัติการเสียดสีนั้นสอดคล้องกับสิ่งที่วัดได้ในห้องปฏิบัติการอย่างสมบูรณ์ และนั่นเป็นสิ่งที่ยืนยันได้มาก” เซกัลกล่าว "มันบอกเราว่าเราไม่เป็นไรที่จะทำการวัดเหล่านั้นจากตัวอย่างที่มีขนาดเล็กจริงๆ และนำไปใช้กับความผิดพลาดของเปลือกโลกขนาดใหญ่ เพราะมันเป็นความจริงในพฤติกรรมที่เราสังเกตเห็นในการล่มสลายของKīlauea"

งานใหม่นี้ยังเพิ่มความซับซ้อนที่สมจริงให้กับแบบจำลองลูกสูบทางคณิตศาสตร์ซึ่งเสนอเมื่อ 10 ปีที่แล้วโดยนักภูเขาไฟวิทยาชาวญี่ปุ่น Hiroyuki Kumagai และเพื่อนร่วมงานเพื่ออธิบายการยุบตัวของแคลดีราขนาดใหญ่บนเกาะมิยาเกะประเทศญี่ปุ่น ในขณะที่แบบจำลอง Kumagai ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสันนิษฐานว่าพื้นผิวหินของภูเขาไฟเปลี่ยนไปราวกับว่าโดยการพลิกสวิตช์จากการอยู่นิ่งที่สัมพันธ์กันเป็นการลื่นไถลผ่านกันและกัน การสร้างแบบจำลองใหม่ตระหนักดีว่าการเปลี่ยนแปลงระหว่างความเสียดทาน "คงที่" และ "ไดนามิก" นั้นซับซ้อนกว่า และค่อยเป็นค่อยไป "ไม่มีสิ่งใดเกิดขึ้นได้ในทันที" เซกัลกล่าวบาคาร่า สมัครบาคาร่า