Đặc điểm bất thường heli trong nước ngầm phản ánh sự thay đổi biến dạng trong trận động đất Kumamoto năm 2016 ở Tây Nam Nhật Bản
Tóm tắt
Việc giám sát địa hóa nước ngầm và khí thải từ đất đã chỉ ra các dị thường tiền vệ và/hoặc đồng xảy ra của khí quý liên quan đến động đất, nhưng chưa có cơ sở lý hóa hợp lý. Một thí nghiệm trong phòng thí nghiệm về việc khởi động phá đá và sự phát thải khí quý đã được thực hiện, nhưng không có mối liên hệ định lượng giữa kết quả trong phòng thí nghiệm và quan sát thực địa. Chúng tôi báo cáo về những dị thường heli trong nước ngầm liên quan đến trận động đất Kumamoto năm 2016, đây là trận động đất trong lục địa với đứt gãy trượt và tâm chấn nông (độ sâu 10 km) gần các khu vực đông dân cư ở Tây Nam Nhật Bản. Những thay đổi đồng vị heli được quan sát ngay sau trận động đất có mối liên hệ định lượng với những thay đổi biến dạng thể tích được ước tính từ một mô hình đứt gãy, điều này được giải thích thông qua các nghiên cứu thực nghiệm về sự giải phóng helium trong quá trình nén mẫu đá. Heli trong nước ngầm được xem như một cảm biến biến dạng hiệu quả. Điều này gợi ý mối liên kết định lượng đầu tiên giữa quan sát địa hóa và địa chấn, và có thể mở ra khả năng phát triển một hệ thống giám sát mới để phát hiện sự thay đổi biến dạng có khả năng xảy ra trước một trận động đất nguy hiểm ở các khu vực mà thiết bị đo biến dạng giếng khoan truyền thống không khả dụng.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Holland, H. D. The Chemical Evolution of The Atmosphere and Oceans, 598 pp. (Princeton Univ. Press, 1984).
Self, S., Widdowson, M., Thordarson, T. & Jay, A. E. Volatile fluxes during flood basalt eruptions and potential effects on the global environment: A Deccan perspective. Earth Planet. Sci. Lett. 248, 518–522 (2006).
Black, B. A., Elkins-Tanton, L. T., Rowe, M. C. & Peate, I. U. Magnitude and consequences of volatile release from the Siberian Traps. Earth Planet. Sci. Lett. 317–318, 363–373 (2012).
Marty, B. & Tolstikhin, I. N. CO2 fluxes from mid-ocean ridges, arcs and plumes. Chem. Geol. 145, 233–248 (1998).
Wallace, P. J. Volatiles in subduction zone magmas: concentrations and fluxes based on melt inclusion and volcanic gas data. J. Volc. Geotherm. Res. 140, 217–240 (2005).
Irwin, W. P. & Barnes, I. Tectonic Relations of Carbon Dioxide Discharges and Earthquakes. J. Geophys. Res. 85, 3115–3121 (1980).
Sano, Y., Takahata, N., Igarashi, G., Koizumi, N. & Sturchio, N. C. Helium degassing related to the Kobe earthquake. Chem. Geol. 150, 171–179 (1998).
Lee, H. et al. G. Massive and prolonged deep carbon emissions associated with continental rifting. Nature Geoscience 9, 145–149 (2016).
King, C.-Y. Gas Geochemistry Applied to Earthquake Prediction’ An Overview. J. Geophys. Res. 91, 12269–12281 (1986).
Ulomov, V. I. & Mavashev, B. Z. Forerunners of the Tashkent earthquake, in The Tashkent Earthquake of 26 April 1966. Akad. Nauk Uzb. SSR 188–192 (1971).
Igarashi, G. et al. Groundwater radon anomaly before the Kobe earthquake in Japan. Science 269, 60–61 (1995).
Sugisaki, R. & Sugiura, T. Geochemical Indicator of Tectonic Stress Resulting in an Earthquake in Central Japan, 1984. Science 229, 1261–1262 (1985).
Scholz, C. H., Sykes, L. R. & Aggarwal, Y. P. Earthquake Prediction: A Physical Basis. Science 181, 803–810 (1973).
Honda, M., Kurita, K., Hamano, Y. & Ozima, M. Experimental studies of He and Ar degassing during rock fracturing. Earth Planet. Sci. Lett. 59, 429–436 (1982).
Koike, K. et al. Controls on radon emission from granite as evidenced by compression testing to failure. Geophys. J. Int. 203, 428–436 (2015).
Kamaya, N. et al. Overview of The 2016 Kumamoto Earthquake. JpGU Abst MIS34-P01 (2016).
Horiguchi, K. & Matsuda, J. Geographical distribution of 3He/4He ratios in north Kyushu, Japan: Geophysical implications for the occurrence of mantle-derived fluids at deep crustal levels. Chem. Geol. 340, 13–20 (2013).
Sano, Y., Marty, B. & Burnard, P. Noble gases in the atmosphere. In The Noble Gases as Geochemical Tracers. Advances in Isotope Geochemistry (ed. Burnard, P. ) 17–31 (Springer-Verlag 2013).
Ozima, M. & Podosek, F. A. Noble Gas Geochemistry, 367 pp. (Cambridge Univ. Press, 1983).
Kennedy, B. M. et al. Mantle Fluids in the San Andreas Fault System, California. Science 278, 1278–1281 (1997).
Dogan, T. et al. Adjacent releases of mantle helium and soil CO2 from active faults: Observations from the Marmara region of the North Anatolian Fault zone, Turkey. Geochem. Geophys. Geosyst. 10, Q11009 (2009).
Klemperer, S. L. et al. Mantle fluids in the Karakoram fault: Helium isotope evidence. Earth Planet. Sci. Lett. 366, 59–70 (2013).
Sano, Y. & Wakita, H. Geographical distribution of 3He/4He ratios in Japan: Implications for arc tectonics and incipient magmatism. J. Geophys. Res. 90, 8729–8741 (1985).
Rison, W. & Craig, H. Helium isotopes and mantle volatiles in Loihi Seamount and Hawaiian Island basalts and xenoliths. Earth Planet. Sci. Lett. 66, 407–426 (1983).
Sano, Y. et al. Ten-year helium anomaly prior to the 2014 Mt Ontake eruption. Sci. Rep. 5, 13069, 10.1038/srep13069 (2015).
Shibasaki, T. Groundwater Basin and Groundwater Flow System. In Fluid Dynamics in a Deep Sedimentary Basin (Tokai Univ. Press) pp. 109–135 (1981).
Yurai, H. et al. Crustal deformation of the 2016 Kumamoto Earthquake. JpGU Abst MIS34-03 (2016).
GSI, Hypocenter Fault model of the 2016 Kumamoto Earthquake. http://www.gsi.go.jp/common/000140781.pdf (2016).
Shimizu, H. et al. Urgent joint seismic observation of the 2016 Kumamoto earthquake - Seismic activities and their background -. JpGU Abst MIS34-02 (2016).
Kumahara, Y. et al. Distribution of surface rupture associated the 2016 Kumamoto earthquake and its significance. JpGU Abst MIS34-05 (2016).
Aoi, S. et al. Strong motion and source processes of the 2016 Kumamoto earthquake sequence. JpGU Abst MIS34-06 (2016).
Fire and Disaster Management Agency, “Disaster information” http://www.fdma.go.jp/bn/2016/detail/960.html (2016).
Sano, Y. & Wakita, H. Precise Measurement of Helium Isotopes in Terrestrial Gases Bull. Chem. Soc. Japan 61, 1153–1157 (1988).