רעידות אדמה – עשו זאת בעצמכם

שורת חוקרים יוצאי דופן פיתחה בהדרגה את השיטה המדעית לאורך מאות שנים, כאשר כל אחד מהם הוסיף רובד נוסף. במאות האחרונות עוצבה השיטה כפי שאנו מכירים אותה כיום – הסקה מדעית המבוססת על ניסויים, תצפיות וחשיבה לוגית. המחקר המדעי מחייב הוכחות מדויקות ודוחה הסתמכות על תחושות או אמונות בלתי מבוססות. 

עם זאת, הדרישה להוכחה ניסויית מציבה לעיתים אתגרים משמעותיים. ניסויים על תנועת מטוטלת או תגובות כימיות במעבדה הם קלים למדי לביצוע, אך חקר רעידות אדמה, למשל, מחייב יצירת “תא ניסוי” המדמה את שכבות כדור הארץ והשברים שהתפתחו בהן במשך מיליוני שנים – משימה מורכבת ביותר. למרות זאת, בזכות טכנולוגיה מודרנית חוקרים מצליחים להתקרב להבנת תנועת השברים בכדור הארץ, ואף לבצע ניסויים המדגימים את הדינמיקה שלהם.

אחת המעבדות הבולטות בתחום היא זו של ארס רוסקיס (Rosakis) באוניברסיטת קלטק שבקליפורניה. רוסקיס וצוותו פיתחו מתקן שבו שתי פלטות לחוצות זו אל זו מדמות את הלוחות הטקטוניים המרכיבים את קרום כדור הארץ. הלוחות הטקטוניים מצויים בתנועה מתמדת, אך כוחות החיכוך ביניהם אינם מאפשרים תנועה חלקה זה ביחס לזה, וגורמים להצטברות אנרגיה אלסטית – בדומה לאנרגיה הנאגרת בקפיץ דרוך. כאשר האנרגיה המצטברת גוברת על כוחות החיכוך, הלוחות מחליקים זה ביחס לזה בעוצמה ונוצרת רעידת אדמה. במעבדה, התהליך מדומה באמצעות זיק חשמלי המוטח בין הפלטות, משחרר לחץ מקומי וגורם להחלקה המדמה רעידת אדמה. התהליך מתועד במצלמה מהירה – שממוקמת כך ששדה הראייה שלה סמוך לאזור השבר – בקצב צילום של עד מיליון פריימים בשנייה. הפלטות עשויות מפלסטיק הנקרא פרספקס, שמאפשר להקטין את קנה המידה של תהליכים טבעיים בסלעים: המוקד של רעידות אדמה גדולות הוא בגודל עשרות אלפי מטרים רבועים, והאנרגיה בעקבותיהן מתפשטת לאורך מאות קילומטרים. הפלסטיק מאפשר להקטין את התהליך הזה במספר סדרי גודל לדוגמאות של עשרות סנטימטרים.

השיטה במבחן הזמן

ד”ר יובל טל, שעבד בעבר במעבדה בקלטק, הקים מעבדה דומה באוניברסיטת בן-גוריון שבנגב – השנייה מסוגה בעולם. מחקר שהוביל הדוקטורנט תום גבריאלי במעבדה זו השתמש בטכנולוגיה כדי לבחון לראשונה את השפעתם של עיקולים בשבר על התפתחות רעידות אדמה –  בתנאי מעבדה. המחקר, שפורסם לאחרונה ב-PNAS, מדגים כיצד רעידה מתנהגת בשבר ישר לעומת שבר שיש בו עיקול.

גבריאלי ביקש תחילה לבדוק כיצד גיאומטריות שבר מסובכות משפיעות על אופי הרעידה, אך הבין כי עליו להתחיל משברים פשוטים יותר כדי להבין את יסודות התופעה. “בתחילת המחקר ניסיתי לבדוק שברים עם גיאומטריה מסובכת, אבל תוך זמן קצר הבנתי שבלי הבנה בסיסית יותר של שברים פשוטים יהיה קשה מאוד לפענח את הממצאים”, סיפר גבריאלי לאתר מכון דוידסון. לאחר שלמד את אופן ההתנהגות של שבר ישר, התקדם לבחון שברים שיש בהם עיקול, במטרה לאפיין את התפשטות האנרגיה מסביב לשבר – מה שמכונה בגיאולוגיה ״אפיון המקור״. 

המונח מקור מתייחס לאזור בשבר שבו מתרחשת התנועה המכנית המשחררת את האנרגיה שנאגרה בעקבות תנועת הלוחות הטקטוניים. האזור שבו התקיימה ההחלקה של שני צידי השבר מכונה ״אזור הקרע״. מאפייני אזור זה משפיעים על אופן התפשטות האנרגיה וכך גם צורתו: אם הוא ישר, מעוקל במידה מועטה, או במידה רבה. בנוסף להשפעת זווית העיקול, צוות המחקר גם בחן כיצד כיוון העיקול משפיע על התפשטות האנרגיה. המידע הזה משמעותי משום שכאשר הלוחות נעים זה לכיוון זה, העיקול נלחץ משני הצדדים (חלק א’ בתמונה למטה) ואילו כאשר הלוחות מתרחקים זה מזה (חלק ב’ בתמונה למטה) הוא נמתח.

תוצאות הניסוי חשפו תופעות מעניינות. ראשית, עיקולים בעלי זוויות הגבוהות מ-12.5 מעלות הובילו לקריעה במהירוית גבוהות במיוחד של מס’ ק”מ לשנייה. במהירויות כאלו, הגבוהות ממהירות הגלים בחומר, נוצרת למעשה תופעה של ״בום על-קולי״ מסביב לרעידה. תופעה זו מוכרת מרעידות אדמה הרסניות, כמו זו שאירעה בטורקיה ב-2023, שבה הקריעה בחלקה התקדמה מהר יותר ממהירות הגלים האופיינית ונוצר אותו בום על-קולי.

בנוסף, בניסויים עם עיקול נלחץ בזוויות בינוניות של 10-15 מעלות (כמו חלק א’ בתמונה), נצפה דפוס קריעה ייחודי: בנוסף לקרע המתפשט קדימה, הופיעו חזיתות קרע חדשות שנעו בכיוון ההפוך לאורך השבר במהירויות גבוהות ממהירות הגלים בחומר (ראו הסרטון הלקוח מהמאמר).

בנוסף לקרע המתפשט קדימה, הופיעו חזיתות קרע חדשות שנעו בכיוון ההפוך. ניתן לראות את ההבזק האדום שמייצג את חזית הקרע מתקדם כצפוי, ולאחר שעובר את הפיתול, חוזר לפתע על עקבותיו | מתוך המאמר Gabrieli et al. 2025

אפקטים מפתיעים

התצפיות במחקר זה מדגישות את ההשפעה המשמעותית של צורת השבר והגיאומטריה שלו על התפתחות רעידות אדמה. ״כל רעידת אדמה גדולה מושפעת בצורה כזאת או אחרת מהגיאומטריה של השבר”, מסביר גבריאלי, “ולמרות החשיבות של המידע הזה להערכת סיכונים ומידול רעידות אדמה, ההבנה של מה בדיוק ההשפעה של עיקולים [בשבר] אינה ברורה. במעבדה שלנו אנחנו רואים לראשונה את ההשפעה הדרמטית של גיאומטריית השבר על תכונות הרעידה, וכך מקבלים הצצה לתהליכים העוצמתיים והמהירים שקורים במעמקי האדמה בזמן רעידות גדולות”. 

מעבדתו של ד״ר טל היא לא המעבדה היחידה בישראל שחוקרת רעידות אדמה באמצעות תאי ניסוי. בתחילת 2025 התפרסם מחקר ישראלי נוסף, ממעבדתו של פרופסור ג׳אי פיינברג מהאוניברסיטה העברית, שגם הוא עוסק בהתנהגות של רעידות אדמה, אך מזווית שונה. 

בניגוד לניסויים הקודמים, שבהם הרעידה יוצרה באופן ידני ובחנו את ההתקדמות שלה, במעבדתו של פיינברג נבחנת ההתפתחות הספונטנית של הרעידה – השבר הראשוני בחומר שנוצר ממש יש מאין, וממנו מתפתחת רעידת האדמה. כדי לחקור תהליך זה, מבחינה פיזיקלית, יש לשלוט על המאמצים (הכוחות ליחידת השטח) המופעלים על הפלטה מכיוונים שונים. הדוקטורנט שחר גבירצמן בחן במעבדה זו את התפתחות הרעידה בשלביה הראשונים, ומחקרו התפרסם בכתב העת המדעי Nature.

המחקר הראה כי בשלב הראשון נוצרת נקודת חולשה כמעט מיקרוסקופית, שמתפתחת באיטיות ובקצב קבוע. בשלב הזה השבר מגיע לרוחב מסוים ומזוהה נקודת אל-חזור – התנהגות טופולוגית שחשף המחקר. לאחר מכן מתחיל השבר להאיץ במהירות ולקרוע את כל הפלטה, מקצה אחד שלה לשני. כשהאנרגיה המשוחררת בשלב זה גבוהה בהרבה מהאנרגיה הדרושה להמשך הקריעה, ונוצר מעין “אפקט דומינו”.

שני המחקרים מדגישים זוויות שונות ומשלימות על תופעות נרחבות שאפשר לבחון באמצעות תאי ניסוי המדמים רעידות אדמה. מחקר אחד בוחן התנהגות של רעידה קיימת, בעוד השני חושף את היווצרותה של רעידה חדשה. שתי התופעות רלוונטיות לתהליכים טקטוניים המתרחשים בטבע, והבנת המנגנונים שמייצרים אותן תורמת להבנה מעמיקה יותר של הגורמים לרעידות אדמה הרסניות. המשך ניסויים כאלו, תוך שילוב מערכות מורכבות יותר בתא הניסוי, עשוי לאפשר הערכת סיכון מדויקת יותר באזורים שונים. בעתיד היותר רחוק ייתכן שיופעלו ניסויים המדמים מערכות הקרובות יותר למציאות הגיאולוגית, ובכך יקטן הפער בין המעבדה לעולם הטבעי. 

כמובן, כל ניסוי כזה חייב להתבצע תוך כיול קפדני ובדיקה מתמדת מול תצפיות מרעידות אדמה ותהליכים טקטוניים אמיתיים, כדי להבטיח שהמודלים משקפים בצורה אמינה את הדינמיקה של הסלעים בקרום. בכך, יתאפשר אולי בעתיד חיזוי מוקדם יותר של רעידות אדמה וזיהוי מדויק יותר של אזורי סיכון.