Проект быстрого бурения траншеи в Японии - Japan Trench Fast Drilling Project

В Проект быстрого бурения траншей в Японии (JFAST) это была научная экспедиция быстрого реагирования, которая пробурила дно океана скважины через разломную зону Землетрясение в Тохоку 2011 г.. JFAST собрал важные данные о механизме разрыва и физических свойствах разлома, вызвавшего сильное землетрясение и цунами, опустошившие большую часть северо-востока. Япония.[1][2]

Фон

В Землетрясение в Тохоку-оки 2011 г., с моментная величина 9,0, был самым большим в истории Японии и серьезно пострадал в регионах северо-востока. Хонсю, в результате чего погибло более 15 000 человек, а экономический ущерб составил от 200 до 300 миллиардов долларов США.[3] Из-за огромного воздействия на общество ученые срочно представили информацию и результаты исследований, чтобы объяснить это катастрофическое событие. Вскоре после землетрясения исследователи Комплексная программа морского бурения (IODP) приступила к планированию проекта быстрого бурения Японской траншеи (JFAST) для исследования землетрясения с помощью скважин на дне океана до граница плиты вина.[4][5]

В рамках этого амбициозного проекта были пробурены скважины через разлом, который соскользнул во время землетрясения, чтобы понять беспрецедентно огромный промах (от 40 до 60 метров).[6] что произошло на мелководной части мегатраст разлом и был основным источником большого цунами, разрушившего большую часть побережья северо-востока Хонсю. Этот громкий научный проект вызвал большой общественный интерес с участием многих японцев.[7][8] и английский [9] освещение операций в СМИ [4][10] и результаты [1][11][12][13]

Конкретные научные цели[14] включены,

  • Оценка напряжение (механика) состояние в районе мелкого разлома от прорывов скважин.
  • Получение образец керна от зоны разлома границы плиты, чтобы увидеть геологические структуры и измерить физические свойства зоны разлома. До этого проекта никто не видел непосредственно зону разлома, которая недавно переместилась на десятки метров в результате землетрясения.
  • Измерение температуры в зоне разлома для оценки уровня динамического трение во время землетрясения. Эти тепловые наблюдения необходимо было провести быстро после землетрясения, и это было основной причиной быстрой мобилизации JFAST.

Площадка для морского бурения находилась примерно в 220 км к востоку от г. Сендай в районе очень большого сдвига разлома во время землетрясения вблизи Японский желоб.

Глубоководное бурение

D / V Chikyu, управляемый Японское агентство морских наук и технологий (JAMSTEC) отправился на IODP Expedition 343 из порта Симидзу, Сидзуока 1 апреля 2012 г., через 13 месяцев после землетрясения. Chikyu - единственное исследовательское судно, способное проводить необходимое бурение на очень глубинах более 6900 метров. За два месяца работы с 1 апреля по 24 мая 2012 г. было запланировано бурение нескольких скважин для проведения Каротаж при бурении (LWD), установите датчики температуры и заберите образцы керна. Чрезвычайная глубина воды вызвала множество технических проблем, которые необходимо было учитывать, таких как прочность длинной колонны труб, обработка участков труб на борту и работа с приборами 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 вызывало много проблем и задержек в течение первого месяца в море.[14] В конце концов, 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 бурильная колонна (7740 м) с поверхности океана и самая глубокая керн с поверхности океана (7752 м).[10][14]

Из-за задержек из-за технических трудностей и плохой погоды температурная обсерватория не могла быть развернута во время основной экспедиции. Однако во время 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 г. с использованием корабля JAMSTEC R / V Kairei и дистанционно управляемого транспортного средства (ROV). Кайко -7000II. Kaiko-7000II - один из немногих аппаратов, способных работать на глубине воды 7000 метров. Из-за неблагоприятных погодных условий и проблем с навигацией инструменты в настоящее время не могут быть получены. Однако в последующем рейсе KR13-08 с 21 апреля по 9 мая 2013 г. приборы температуры были успешно восстановлены 26 апреля.

Научные результаты

Напряжение в стволе скважины

Трещины в стенке скважины (прорывы скважины) использовались для оценки поля напряжений в области, близкой к зоне разлома. Эти трещины можно наблюдать в стене удельное сопротивление записи, полученные из данных LWD. По ориентации и ширине трещин можно рассчитать направление и величину напряжения. Результаты этих анализов показывают, что регион изменился с ошибка тяги режим до землетрясения до нормальная ошибка режим 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 падение напряжения, что отличается от большинства других крупных землетрясений.

Зона неисправности

На основе образцов керна, данных геологического строения и измерений физических свойств с высокой степенью достоверности была идентифицирована зона единственного разлома на границе плиты на глубине около 820 метров ниже морского дна.[16] Разлом локализован в тонком слое сильно деформированных пелагических глин. Весь разрез зоны разлома не был извлечен, но по количеству извлеченных и неизвлеченных разрезов общая ширина зоны разлома определена менее 5 метров. Это значительно более простой и более тонкий разлом на границе плиты, чем наблюдалось в других местах.[16] такой как Нанкайский желоб . Фактическая поверхность скольжения для землетрясения 2011 года, возможно, не была восстановлена, но предполагается, что структура и физические свойства ядра являются репрезентативными для всей зоны разлома.

Неисправное трение

Одной из основных целей JFAST была оценка уровня трения по разлому во время землетрясения. Для определения прочности на трение были проведены скоростные лабораторные эксперименты на образцах из зоны пограничного разлома плиты. Измеренный напряжение сдвига сила для проницаемый и непроницаемые условия дали значения 1,32 и 0,22 МПа, соответственно, с эквивалентными значениями для коэффициент трения 0,19 и 0,03 соответственно.[17] Эти результаты показывают, что разлом соскользнул с очень низким уровнем трения, который ниже, чем наблюдаемый в других зонах субдукции, таких как Нанкайский прогиб. Очень низкая прочность на трение 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 глинистый минерал смектит.[17] Исследование микроструктуры лабораторных образцов позволяет предположить, что жидкости играют важную роль в процессе разломов и способствуют низким характеристикам трения, возможно, за счет термического повышения давления.[17]

Измерения температуры также были предназначены для оценки теплоты трения на разломе путем измерения тепловой аномалии в зоне разлома. Температурный сигнал отчетливо наблюдался в данных примерно через 4 месяца после установки прибора, то есть через 18 месяцев после землетрясения. В то время температура в зоне разлома была примерно на 0,3 ° C выше геотермального градиента.[18] Это интерпретируется как представление тепла от трения, производимого во время землетрясения. Анализ этих данных показал, что коэффициент трения по разлому во время землетрясения составлял около 0,08, а среднее напряжение сдвига по разлому было оценено в 0,54 МПа.[18] Измерения температуры дают независимые и аналогичные результаты лабораторных экспериментов по трению и подтверждают очень низкие фрикционные свойства неисправности. Низкие характеристики трения, вероятно, способствовали очень большому скольжению во время землетрясения.

Резюме

JFAST считается успешным быстрым научным ответом [1] стихийному бедствию, оказавшему большое влияние на общество. Технические проблемы, связанные с бурением на очень большой глубине около 6900 метров. [10] были преодолены, что позволило провести измерения напряжения в стволе скважины, извлечь ценные образцы керна из зоны разлома на границе плиты и собрать уникальные измерения температуры. Результаты научных исследований показывают, что огромное оползание во время землетрясения Тохоку 2011 года произошло в зоне простого и тонкого разлома, сложенного пелагическими отложениями с высоким содержанием смектита.[11] И лабораторные эксперименты с материалом зоны разлома, и измерения температуры в зоне разлома показывают, что уровень трения во время землетрясения был очень низким.[11] Локализованная зона разлома, низкие фрикционные свойства ее материала и полное падение напряжения во время землетрясения являются важными характеристиками, которые, вероятно, способствовали огромному скольжению во время землетрясения.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Smithsonian.com Разлом, вызвавший землетрясение в Японии в 2011 году, тонкий и скользкий, 5 декабря 2013 г.
  2. ^ Christian Science Monitor Японское чудовищное землетрясение: есть ли у ученых ключ к расшифровке будущих сотрясений?, 6 декабря 2013 г.
  3. ^ Чжан, Топ-5 самых дорогих стихийных бедствий в истории, AccuWeather.com, 30 марта 2011 г.
  4. ^ а б Новости природы, http://www.nature.com/news/2011/111031/full/479016a.html Буровое судно исследует зону землетрясений в Японии, 31 октября 2011 г.
  5. ^ Phys.org, Чикю отправится в экспедицию IODP: проект быстрого бурения траншеи в Японии, 9 марта 2012 г.
  6. ^ Фудзивара и др., Землетрясение в Тохоку-Оки 2011 г .: смещение, достигающее оси траншеи, Science, 1240. doi: 10.1126 / science.1211554, 2011
  7. ^ Система вещания Nippon Телевизионные новости, Япония, новость от 14 апреля 2012 г.
  8. ^ Tokyo Broadcasting System Television Новости 23, избранная статья от 3 мая 2012 г. (на японском языке)
  9. ^ Канал Дискавери Daily Planet (сериал) очерк от 9 марта 2012 г.
  10. ^ а б c d Phys.org, Новая обсерватория, расположенная под полом, начинает измерения нагрева от трения после землетрясения в Тохоку, Япония, 2011 г., 23 июля 2012 г.
  11. ^ а б c живая наука Скользкая глина в разломе землетрясения в Японии в 2011 году, 5 декабря 2013 г.
  12. ^ красныйОрбит В новом отчете подчеркивается изменение стресса во время землетрясения в Тохоку-Оки 2011 г., 8 февраля 2013 г.,
  13. ^ голос свободы Скользкая глина объясняет тайну землетрясения и цунами в Тохоку-Оки, 6 декабря 2013 г.
  14. ^ а б c Мори и др., Исследование огромного цунами от Тохоку-Оки 2011 г., Япония, Землетрясение с использованием скважин на дне океана до зоны разлома, Океанография 27, 132–137, 2014 г.
  15. ^ Лин и др., Напряженное состояние в зоне наибольшего смещения землетрясения Тохоку-Оки 2011 г., Science 339, 687-690, 2013
  16. ^ а б Честер и др., Структура и состав зоны скольжения на границе плит для землетрясения Тохоку-оки 2011 г. Science 342, 1208-1211, 2013
  17. ^ а б c Ujiie et al., Низкое косейсмическое напряжение сдвига на мегатрасте Тохоку, определенное в лабораторных экспериментах, Science 342, 1211-1214, 2013
  18. ^ а б Фултон и др., Низкое косейсмическое трение на разломе Тохоку-оки, определенное из температурных измерений, Science 342, 1215-1217, 2013.

Освещение в СМИ

внешняя ссылка