Проект быстрого бурения японской траншеи

Проект быстрого бурения японской траншеи (JFAST) представлял собой научную экспедицию быстрого реагирования, которая бурила скважины на дне океана через зону разлома, произошедшего в результате землетрясения Тохоку 2011 года . JFAST собрал важные данные о механизме разрушения и физических свойствах разлома, вызвавшего огромное землетрясение и цунами, опустошившие большую часть северо-востока Японии . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Фон

Землетрясение в Тохоку-оки 2011 года с моментной магнитудой 9,0 было крупнейшим в истории Японии и нанесло серьезный ущерб регионам северо-востока Хонсю , унеся жизни более 15 000 человек и причинив экономический ущерб в размере от 200 до 300 миллиардов долларов США. ^{[ 3 ]} Из-за огромного социального воздействия среди ученых возникла необходимость срочно отреагировать, предоставив информацию и результаты исследований, чтобы объяснить это катастрофическое событие. Вскоре после землетрясения исследователи Интегрированной программы океанского бурения (IODP) начали планировать проект быстрого бурения японской траншеи (JFAST) для исследования землетрясения с помощью скважин на дне океана до разлома на границе плиты . ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

В рамках этого амбициозного проекта были пробурены скважины через разлом, который сместился во время землетрясения, чтобы понять беспрецедентно огромный сдвиг (от 40 до 60 метров). ^{[ 6 ]} Это произошло на мелководной части меганадвигового разлома и стало основным источником большого цунами, опустошившего большую часть побережья северо-востока Хонсю. Этот громкий научный проект вызвал большой общественный интерес, в том числе значительный вклад японцев. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} и английский ^{[ 9 ]} освещение операций в СМИ ^{[ 4 ]}^{[ 10 ]} и результаты ^{[ 1 ]}^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}

Конкретные научные цели ^{[ 14 ]} включено,

Оценка напряженного (механического) состояния в районе неглубокого разлома по прорывам скважин.
Извлечение образца керна из зоны разлома на границе плиты для просмотра геологических структур и измерения физических свойств зоны разлома. До этого проекта никто непосредственно не видел зону разлома, которая недавно сдвинулась на десятки метров в результате землетрясения.
Измерение температуры в зоне разлома для оценки уровня динамического трения во время землетрясения. Эти тепловые наблюдения необходимо было провести быстро после землетрясения, и это стало основной причиной быстрой мобилизации JFAST.

Площадка для морского бурения располагалась примерно в 220 км к востоку от Сендая, в районе очень крупного разлома во время землетрясения возле Японского желоба .

Глубоководные буровые работы

Судно D/V Chikyu , которым управляет Японское агентство по морским наукам и технологиям о Земле (JAMSTEC), отплыло в составе 343-й экспедиции IODP из порта Симидзу, Сидзуока , 1 апреля 2012 года, через 13 месяцев после землетрясения. Chikyu — единственное исследовательское судно, обладающее возможностями для необходимого бурения на очень глубокой воде, превышающей 6900 метров. За два месяца работ с 1 по 24 апреля 2012 года было запланировано бурение нескольких скважин для проведения каротажа в процессе бурения (LWD), установки датчиков температуры и отбора образцов керна. Экстремальные глубины воды вызвали множество технических проблем, которые необходимо было учитывать, таких как прочность длинной колонны труб, обработка секций труб на борту и работа приборов при очень высоком давлении воды. Эти аспекты требовали тщательного планирования и новых инструментов на корабле. Различное оборудование ранее не использовалось на такой глубокой воде и вызвало множество проблем и задержек в течение первого месяца плавания. ^{[ 14 ]} В конечном итоге сложные инженерные проблемы были преодолены, что позволило извлечь керн скважины и установить температурную обсерваторию в зоне разлома на глубине около 820 метров ниже морского дна. Были установлены новые рекорды научного бурения, в том числе самая длинная буровая колонна (7740 м) с поверхности океана и самый глубокий керн с поверхности океана (7752 м). ^{[ 10 ]}^{[ 14 ]}

Из-за задержек из-за технических трудностей и плохой погоды температурную обсерваторию не удалось развернуть во время основной экспедиции. Однако в ходе дополнительной экспедиции 343Т с 5 по 19 июля была быстро пробурена новая скважина и установлены датчики температуры. ^{[ 10 ]}

Получение данных о температуре было запланировано для рейса KR13-04 с 11 по 20 февраля 2013 года с использованием корабля JAMSTEC R/V Kairei и телеуправляемого аппарата (ROV) Kaiko -7000II. Kaiko-7000II — одна из немногих машин, способных работать на глубине воды 7000 метров. Из-за ненастной погоды и проблем с навигацией инструменты в настоящее время забрать не удалось. Однако в ходе последующего рейса КР13-08 с 21 апреля по 9 мая 2013 года 26 апреля температурные приборы были успешно восстановлены.

Научные результаты

Скважинное напряжение

Трещины в стенке скважины (прорывы скважин) использовались для оценки поля напряжений в районе вблизи зоны разлома. Эти трещины можно наблюдать в записях удельного сопротивления стенок , полученных по данным LWD. По ориентации и ширине трещин можно рассчитать направление и величину напряжения. Результаты этого анализа показывают, что регион изменился с режима надвигов до землетрясения на нормальный режим разломов после землетрясения. Горизонтальное напряжение стало близким к нулю, что указывает на то, что почти все напряжение было снято во время землетрясения. ^{[ 15 ]} Это подтверждает предыдущие предположения о том, что при землетрясении произошло полное снижение напряжения, что отличается от большинства других крупных землетрясений.

Зона неисправности

На основе образцов керна, данных о геологическом строении и измерений физических свойств с высоким уровнем достоверности была идентифицирована единственная зона разлома, граничащая с плитой, на глубине около 820 метров ниже морского дна. ^{[ 16 ]} Разлом локализован в тонком слое сильно деформированных пелагических глин. Весь участок разломной зоны восстановлен не был, но по сумме восстановленных и невосстановленных участков определяется общая ширина разломной зоны менее 5 метров. Это значительно более простой и тонкий разлом на границе плит, чем наблюдавшийся в других местах. ^{[ 16 ]} например, Нанкайский желоб . Фактическая поверхность скольжения землетрясения 2011 года, возможно, не была восстановлена, но предполагается, что структуры и физические свойства ядра являются репрезентативными для всей зоны разлома.

Трение неисправности

Одной из основных задач JFAST была оценка уровня трения на разломе во время землетрясения. Для определения прочности трения были проведены высокоскоростные лабораторные эксперименты на образцах из зоны разлома границы плиты. Измеренная прочность на сдвиг для проницаемых и непроницаемых условий дала значения 1,32 и 0,22 МПа соответственно, с эквивалентными значениями коэффициента трения 0,19 и 0,03 соответственно. ^{[ 17 ]} Эти результаты показывают, что разлом сместился с очень низким уровнем трения, который ниже, чем наблюдается в других зонах субдукции, таких как Нанкайский прогиб. Очень низкая прочность трения для материала из зоны разлома Японского желоба намного ниже, чем обычно наблюдается для других типов горных пород. Низкие фрикционные свойства во многом обусловлены высоким содержанием глинистого минерала смектита. ^{[ 17 ]} Исследование микроструктуры лабораторных образцов позволяет предположить, что жидкости играют важную роль в процессе образования разломов и способствуют снижению коэффициента трения, возможно, за счет термического давления. ^{[ 17 ]}

Измерения температуры также были предназначены для оценки теплоты трения на разломе путем измерения тепловой аномалии в зоне разлома. Температурный сигнал четко наблюдался в данных примерно через 4 месяца после установки прибора, то есть через 18 месяцев после землетрясения. В это время температура в зоне разлома была примерно на 0,3 °C выше геотермического градиента. ^{[ 18 ]} Это интерпретируется как отражение тепла трения, выделяющегося во время землетрясения. Анализ этих данных показал, что коэффициент трения по разлому во время землетрясения составлял около 0,08, а среднее напряжение сдвига на разломе оценивалось в 0,54 МПа. ^{[ 18 ]} Измерения температуры дают независимые результаты, аналогичные лабораторным экспериментам по трению, и подтверждают очень низкие фрикционные свойства разлома. Свойства низкого трения, вероятно, способствовали очень большому скольжению во время землетрясения.

Краткое содержание

JFAST считается успешным быстрым научным ответом. ^{[ 1 ]} к опасному природному событию, которое имело большое социальное воздействие. Технические проблемы, связанные с бурением на очень глубокой воде около 6900 метров. ^{[ 10 ]} были преодолены, что позволило измерить напряжение в скважине, извлечь ценные образцы керна зоны разлома, ограничивающего плиту, и провести уникальные измерения температуры. Результаты научных исследований показывают, что огромный сдвиг во время землетрясения Тохоку 2011 года произошел в простой и тонкой зоне разлома, состоящей из пелагических отложений с высоким содержанием смектита. ^{[ 11 ]} Как лабораторные эксперименты по материалу зоны разлома, так и измерения температуры в зоне разлома показывают, что уровень трения во время землетрясения был очень низким. ^{[ 11 ]} Локализованная зона разлома, низкие свойства трения ее материала и полное падение напряжений во время землетрясения являются важными характеристиками, которые, вероятно, способствовали огромному сдвигу во время землетрясения.

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Smithsonian.com Разлом, вызвавший землетрясение в Японии в 2011 году, тонкий и скользкий , 5 декабря 2013 г.
^ Christian Science Monitor чудовищное землетрясение в Японии: есть ли у ученых ключ к расшифровке будущих толчков? , 6 декабря 2013 г.
^ Чжан, Топ-5 самых дорогих стихийных бедствий в истории, AccuWeather.com, 30 марта 2011 г.
^ Jump up to: ^а ^б Nature News, http://www.nature.com/news/2011/111031/full/479016a.html Буровое судно для исследования зоны землетрясения в Японии, 31 октября 2011 г.
^ phys.org, Чикю отправляется в экспедицию IODP: проект быстрого бурения траншей в Японии , 9 марта 2012 г.
^ Фудзивара и др., Землетрясение Тохоку-Оки 2011 г.: смещение, достигающее оси желоба, Science, 1240. doi: 10.1126/science.1211554, 2011 г.
↑ Nippon Broadcasting System TV News, Япония, новостной сюжет от 14 апреля 2012 г.
↑ Tokyo Broadcasting System Television News 23, сюжет от 3 мая 2012 г. (на японском языке)
↑ Discovery Channel Daily Planet (сериал) от 9 марта 2012 г. Очерк
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д phys.org, Новая подводная обсерватория начинает измерения фрикционного нагрева в результате землетрясения в Тохоку 2011 года, Япония , 23 июля 2012 года.
^ Jump up to: ^а ^б ^с наука о жизни, Скользкая глина в разломе землетрясения в Японии в 2011 г. , 5 декабря 2013 г.
^ redOrbit Новый отчет подчеркивает изменение напряжения во время землетрясения Тохоку-Оки 2011 г. , 8 февраля 2013 г.,
↑ Голос свободы Скользкая глина объясняет тайну землетрясения и цунами Тохоку-Оки , 6 декабря 2013 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Мори и др., Исследование огромного цунами Тохоку-Оки 2011 года, Япония, землетрясения с использованием скважин на дне океана в зоне разлома, Oceanography 27, 132–137, 2014 г.
^ Лин и др., Напряженное состояние в зоне крупнейшего смещения в результате землетрясения Тохоку-Оки 2011 г., Science 339, 687-690, 2013 г.
^ Jump up to: ^а ^б Честер и др., Структура и состав зоны скольжения на границе плиты при землетрясении Тохоку-оки 2011 г. Science 342, 1208-1211, 2013 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Уджие и др., Низкое сейсмическое напряжение сдвига в меганадвиге Тохоку, определенное на основе лабораторных экспериментов, Science 342, 1211-1214, 2013.
^ Jump up to: ^а ^б Фултон и др., Низкое косейсмическое трение на разломе Тохоку-оки, определенное на основе измерений температуры, Science 342, 1215-1217, 2013 г.

Освещение в СМИ

Scientific American, Буровое судно для исследования зоны разлома, вызвавшего землетрясение на Фукусиме , 31 октября 2011 г.
Канал Discovery, репортаж Daily Planet от 9 марта 2012 г.
Новости NHK TV, Япония, новостной сюжет от 14 апреля 2012 г. (на японском языке).
TBS TV News 23, Япония, представил сюжет 3 мая 2012 г. (на японском языке).
Otago Daily Times, Новая Зеландия, Исследователи углубляются в разлом , 2 мая 2012 г.
NHK TV Science Zero, 30-минутная телепрограмма о JFAST, 17 июня 2012 г. (на японском языке)
phys.org, Новый отчет освещает изменение напряжения во время землетрясения Тохоку-Оки 2011 г. , 7 февраля 2013 г.
Физика Сегодня ученые глубоко копают в разломе Тохоку, чтобы раскрыть тайну землетрясения , август 2013 года.
Christian Science Monitor, Как скользкая глина помогла пережить мега-цунами в Японии в 2011 году , 6 декабря 2013 г.

Внешние ссылки

[smithsonian-1] Jump up to: ^а ^б ^с Smithsonian.com Разлом, вызвавший землетрясение в Японии в 2011 году, тонкий и скользкий , 5 декабря 2013 г.

[christsci-2] Christian Science Monitor чудовищное землетрясение в Японии: есть ли у ученых ключ к расшифровке будущих толчков? , 6 декабря 2013 г.

[3] Чжан, Топ-5 самых дорогих стихийных бедствий в истории, AccuWeather.com, 30 марта 2011 г.

[natnews-4] Jump up to: ^а ^б Nature News, http://www.nature.com/news/2011/111031/full/479016a.html Буровое судно для исследования зоны землетрясения в Японии, 31 октября 2011 г.

[physorg-5] ys.org, Чикю отправляется в экспедицию IODP: проект быстрого бурения траншей в Японии , 9 марта 2012 г.

[6] Фудзивара и др., Землетрясение Тохоку-Оки 2011 г.: смещение, достигающее оси желоба, Science, 1240. doi: 10.1126/science.1211554, 2011 г.

[7] Nippon Broadcasting System TV News, Япония, новостной сюжет от 14 апреля 2012 г.

[8] Tokyo Broadcasting System Television News 23, сюжет от 3 мая 2012 г. (на японском языке)

[9] Discovery Channel Daily Planet (сериал) от 9 марта 2012 г. Очерк

[physorg2-10] Jump up to: ^а ^б ^с ^д phys.org, Новая подводная обсерватория начинает измерения фрикционного нагрева в результате землетрясения в Тохоку 2011 года, Япония , 23 июля 2012 года.

[livescience-11] Jump up to: ^а ^б ^с наука о жизни, Скользкая глина в разломе землетрясения в Японии в 2011 г. , 5 декабря 2013 г.

[redorb-12] redOrbit Новый отчет подчеркивает изменение напряжения во время землетрясения Тохоку-Оки 2011 г. , 8 февраля 2013 г.,

[13] Голос свободы Скользкая глина объясняет тайну землетрясения и цунами Тохоку-Оки , 6 декабря 2013 г.

[mori-14] Jump up to: ^а ^б ^с Мори и др., Исследование огромного цунами Тохоку-Оки 2011 года, Япония, землетрясения с использованием скважин на дне океана в зоне разлома, Oceanography 27, 132–137, 2014 г.

[15] Лин и др., Напряженное состояние в зоне крупнейшего смещения в результате землетрясения Тохоку-Оки 2011 г., Science 339, 687-690, 2013 г.

[chester-16] Jump up to: ^а ^б Честер и др., Структура и состав зоны скольжения на границе плиты при землетрясении Тохоку-оки 2011 г. Science 342, 1208-1211, 2013 г.

[ujiie-17] Jump up to: ^а ^б ^с Уджие и др., Низкое сейсмическое напряжение сдвига в меганадвиге Тохоку, определенное на основе лабораторных экспериментов, Science 342, 1211-1214, 2013.

[fulton-18] Jump up to: ^а ^б Фултон и др., Низкое косейсмическое трение на разломе Тохоку-оки, определенное на основе измерений температуры, Science 342, 1215-1217, 2013 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]