Przestrzenno‑czasowa ewolucja odkształceń skorupy poprzedzających niszczycielskie trzęsienia ziemi z wykorzystaniem GNSS

Obserwowanie, jak ziemia „oddycha” przed trzęsieniem

Wyobraźmy sobie, że moglibyśmy zobaczyć, jak skorupa ziemska powoli się napina i rozluźnia w latach poprzedzających duże trzęsienie, podobnie jak lekarz obserwuje parametry życiowe pacjenta. Badanie stawia pytanie, czy subtelne zmiany w kształcie terenu — mierzone za pomocą satelitarnego pozycjonowania — potrafią ujawnić wiarygodne wzorce ostrzegawcze przed niszczycielskimi wstrząsami, takimi jak trzęsienie z 2024 r. na półwyspie Noto w Japonii. Przekształcając długoterminowe pomiary typu GPS w mapy rozciągania i ściskania skorupy, autorzy badają, czy trzęsienia pozostawiają rozpoznawalne sygnatury w terenie zanim nastąpią.

Jak drobne ruchy ujawniają ukryte naprężenia

Nowoczesne satelity nawigacyjne pozwalają naukowcom wyznaczać pozycje stacji naziemnych z dokładnością do kilku milimetrów. Japonia zbudowała jedną z najgęstszych takich sieci na świecie, nazwaną GEONET, liczącą ponad tysiąc stacji GNSS rozsianych po kraju. Zamiast jedynie śledzić ruch każdej stacji, badanie analizuje, jak grupy stacji przemieszczają się względem siebie. Łącząc pobliskie stacje w trójkątne siatki i stosując metodę inżynierską używaną dla mostów i budynków, zespół przekształca dzienne zmiany pozycji w „odkształcenia skorupy” — miary tego, jak powierzchnia ziemi jest rozciągana, ściskana lub ścinana.

Bliższe spojrzenie na trzęsienie na półwyspie Noto

Naukowcy skoncentrowali się na trzech niszczycielskich trzęsieniach w Japonii z ostatniej dekady, ze szczególnym uwzględnieniem wstrząsu o magnitudzie 7,5, który uderzył 1 stycznia 2024 r. Wokół epicentrum zbudowali sieć trójkątów łączących stacje GEONET i śledzili, jak odkształcenie zmieniało się dzień po dniu przez około 13 lat poprzedzających zdarzenie. Zwykłe przemieszczenia gruntu — jak daleko każda stacja przesunęła się na wschód, zachód, północ, południe lub w górę i w dół — wyglądały w przeważającej mierze gładko i bez szczególnych sygnałów ostrzegawczych. Nawet gdy aktywność sejsmiczna lokalnie wzrosła po końcu 2020 r., krzywe przemieszczeń nie dawały wyraźnych przesłanek, że zbliża się poważne pęknięcie.

Odkrywanie znaków ostrzegawczych w rozszerzaniu i ściskaniu

Odkształcenie opowiedziało zupełnie inną historię. Zespół skupił się na szczególnym rodzaju odkształcenia znanym jako dylatacja, która opisuje, na ile powierzchnia się rozszerza lub kurczy. Od około grudnia 2020 r. obszary trójkątne w pobliżu późniejszego epicentrum Noto wykazywały powolną, utrzymującą się zmianę dylatacji trwającą kilka lat. Niektóre rejony stopniowo się rozszerzały, inne kurczyły, tworząc wyraźny wzorzec przestrzenny, najsilniejszy w rejonach najbliższych przyszłej uskoku. Dopasowując proste linie do tych wieloletnich trendów, badacze odkryli, że obszary z największymi zmianami dylatacji pokrywały się z późniejszą strefą złamania i w przybliżeniu odpowiadały ostatecznemu wzorcowi deformacji zarejestrowanemu w chwili wstrząsu. To sugeruje, że położenie i ogólny rozmiar nadchodzącego trzęsienia były zakodowane w ewoluującym polu odkształceń.

Krótkoterminowe przebłyski przed zerwaniem

Ponad powolnym trendem tła autorzy zbadali, jak „szumił” sygnał dylatacji w czasie. Porównywali dzienne wartości z tygodniową średnią kroczącą i śledzili wielkość odchyleń. Przez lata wahania te zachowywały się w dość regularny, sezonowy sposób, z nieco większą aktywnością latem. Jednak w 2023 r., rok przed głównym wstrząsem w Noto, odchylenia stały się wyjątkowo duże wokół dwóch kluczowych zdarzeń: wstrząsu poprzedzającego o magnitudzie 6,5 w maju oraz głównego wstrząsu o magnitudzie 7,5 w Nowy Rok. W tygodniach poprzedzających oba trzęsienia rozrzut wartości dylatacji wzrósł znacznie powyżej długoterminowego zakresu statystycznego, szczególnie w elementach najbliższych epicentrum, sugerując krótkoterminowe „zamulenie” skorupy w miarę zbliżania się do awarii.

Wskazówki z innych niedawnych katastrof

Aby sprawdzić, czy Noto było wyjątkowe, badanie porównało historię odkształceń z Noto z dwiema innymi niszczycielskimi katastrofami: trzęsieniem w Kumamoto w 2016 r. i trzęsieniem wschodniej części Hokkaido w 2018 r. Każde z nich wystąpiło w innym środowisku tektonicznym i na innej głębokości, jednak wszystkie wykazały wieloletnie, specyficzne dla danego trzęsienia narastanie dylatacji w pobliżu późniejszej strefy złamania. Czas trwania i charakter stopniowego wzrostu wydawały się skalować z rozmiarem trzęsienia, co sugeruje, że duże zdarzenia mogą być poprzedzone dłuższymi epizodami powolnej deformacji. Różnice między obszarami, które doświadczyły dużych trzęsień, a tymi, które ich nie doświadczyły, dodatkowo wzmacniały wniosek, że te wzorce nie są jedynie szumem tła.

Co to może oznaczać dla przyszłych ostrzeżeń

Dla odbiorców niebędących specjalistami kluczowy wniosek jest taki, że grunt w Japonii nie pękł nagle i bez ostrzeżenia, gdy uderzyło trzęsienie na półwyspie Noto. Zamiast tego skorupa w tym rejonie najwyraźniej deformowała się powoli w charakterystyczny sposób przez kilka lat, a jej codzienne fluktuacje stały się nadzwyczaj niespokojne w tygodniach poprzedzających najsilniejsze wstrząsy. Choć nie jest to przepis na precyzyjną krótkoterminową prognozę, wyniki wskazują, że uważne monitorowanie odkształceń skorupy — zwłaszcza dylatacji — na dużych obszarach może pomóc wskazać, gdzie duże trzęsienia stają się bardziej prawdopodobne, jak duże mogą być i być może kiedy skorupa wchodzi w okno podwyższonego ryzyka. Autorzy argumentują, że dzięki gęstym sieciom GNSS i udoskonalonej analizie odkształceń nauka o trzęsieniach może przybliżyć się do praktycznych narzędzi wczesnego ostrzegania opartych na tym, jak powierzchnia Ziemi cicho „oddycha” przed zerwaniem.

Cytowanie: Kamiyama, M., Mikami, A., Sawada, Y. et al. Spatiotemporal evolution of crustal strains preceding destructive earthquakes using GNSS. Sci Rep 16, 9708 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38681-7

Słowa kluczowe: prekursory trzęsień ziemi, monitorowanie GNSS, odkształcenie skorupy, trzęsienie ziemi na półwyspie Noto, deformacja powolnego poślizgu