Den 11. marts 2011 rystede et jordskælv med en styrke på 9, 0 Japan i næsten seks minutter, hvilket udløste en tsunami og en nukleare katastrofe, der samlet dræbte næsten 20.000 mennesker. Men under overfladen var de tektoniske plader ud for den japanske østkyst roligt begyndt at skifte længe før rysten begyndte. I februar 2011 begyndte to mere støjsvage jordskælv langsomt at krybe langs den japanske grøft mod det punkt, hvor det massive, megathrust jordskælv ville bryde ud en måned senere.
Relateret indhold
- Geologien bag Italiens katastrofale jordskælv
- Seismiske afmatninger kan advare om forestående jordskælv
Disse mærkelige, stille jordskælv kaldes langsom glidebegivenheder eller langsomme jordskælv - paraplybegreber for spektret af dæmpede bevægelser og ryster, der sker ved grænsen mellem tektoniske plader. Langsomt jordskælv er stadig opdaget i de sidste 20 år, og er stadig et seismisk puslespil. De kan skifte tektoniske plader så meget eller mere end et jordskælv på størrelse 7. Men mens et regelmæssigt jordskælv pludselig frigiver seismiske bølger, der kan vælte bygninger, varer et langsomt jordskælv dage, måneder, nogle gange endog år - og folk i nærheden føler aldrig noget.
Disse umærkelige rumblinger menes at have gået forud for massive jordskælv, der sprunget gennem Japan, Mexico og Chile - men vi ved ikke, om langsomme jordskælv udløste de massive fortvinger eller endda hvordan de forholder sig til deres hurtigere, farligere kolleger. Afkodning af hvornår, hvor og hvorfor langsomme jordskælv strejker kunne hjælpe os med at forstå de farligste fejlzoner på vores planet - og muligvis endda hjælpe os med at forudsige ødelæggende jordskælv og tsunamier, før de tager deres vejafgift.
”Det er et sandt mysterium, ” siger Heidi Houston, en geofysiker ved University of Washington i Seattle. ”Vi studerede regelmæssige jordskælv i årtier og forstår nogle ting om dem - og så følger denne proces sammen, og den er den samme i nogle aspekter, og så meget anderledes i nogle andre aspekter.”
Installation af sensorer til overvågning af subtile bevægelser af jorden. (Høflighed Herb Dragert) Før slutningen af 1990'erne troede geovidenskabsmænd, at de havde et greb om, hvordan puslespillet af tektoniske plader, der dækker jordoverfladen, bevæger sig og passer sammen. De antog, at når en plade af jordskorpen glider forbi en anden, kryber pladerne enten jævnt forbi hinanden eller sidder fast, akkumulerer stress, indtil de eksplosivt glider fri i et jordskælv, som ryper fra fejlzonen.
Men begyndende lige omkring det nye årtusinde, beskrev en mængde videnskabelige publikationer en ny klasse af tilbagevendende og udbredte langsomme jordskælv observeret på modsatte kanter af Stillehavsranden.
Den første rapport om en klart defineret langsom glidebegivenhed kom fra Cascadia Subduction Zone, som er dannet af Juan de Fuca-pladen, der skubber under Nordamerikapladen fra det nordlige Californien til Vancouver Island. Der blødgøres regionerne omkring 20 mil under overfladen af dybder og høje temperaturer og glider glat forbi hinanden. Men lavere, sprøde dele af de glidende tektoniske plader kan sidde fast sammen, indtil det fastlåste område sprænger i en kæmpe megathrust. Cascadia har ikke løsrevet et gigantisk jordskælv siden 1700-tallet - men rumblinger i det seismiske samfund antyder, at den næste store kommer.
I 1999 bemærkede geofysiker Herb Dragert med Geological Survey of Canada, at nogle kontinuerlige GPS-overvågningsstationer på det sydlige Vancouver Island og den olympiske halvø opførte sig underligt. Syv af dem sprang omkring en kvart tomme over flere uger i modsat retning af pladens normale bevægelse. Denne slags tilbagespring er, hvad du ville forvente at se i et jordskælv - men der havde ikke været nogen påviselig rysten.
”Urten var meget bekymret i starten - han troede, at der var noget galt med dataene, ” siger Kelin Wang, en videnskabsmand ved Geological Survey of Canada, der arbejdede med Dragert og geovidenskabsmand Thomas James for at afkode dette puslespil. ”Han prøvede alt for at bevise sig forkert, og alt mislykkedes.”
Det skyldes, at der ikke var noget galt med dataene. Holdet indså snart, at de så Nordamerikapladen og Juan de Fuca-pladen glide forsigtigt som plasterne, hvor de blev hængende sammen unzipped. 18 til 24 mil under overfladen var disse fastklemte plaster over det høje temperaturområde med højt tryk, hvor pladerne glider glat, men under de låste, jordskælvgenererende dele af subduktionszonen. Og det viser sig, at den klæbrige, mellemliggende zone glider i henhold til en plan, hver 14. måned.
Omkring samme tid over Stillehavet bemærkede en seismolog med National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention lavfrekvente vibrationer, der periodisk spredte sig fra seismometer til seismometer over Nankai Trug subduktionszone i det sydvestlige Japan. Kazushige Obara, der nu er ved University of Tokyo's Earthquake Research Institute, observerer, at disse rumblings startede 21 mil under overfladen og kunne fortsætte i dage, der lignede den rysten, der ledsager vulkanudbrud - men dette var ikke et vulkansk område.
Da Obara og Dragert mødtes på en konference, indså de, at de langsomme glidebegivenheder, som Dragert opdagede ved hjælp af GPS, og den ikke-vulkaniske rysten Obara opsamlede på seismometre, begge kunne være tegn på den samme type umærkelig pladebevægelse i subduktionszoner.
”Jeg blev ramt af deres lignende varighedstid, identiske justeringer med strejken i deres respektive subduktionszoner, lignende dybder af forekomst, ” siger Dragert i en e-mail.
Så da Dragert kom tilbage til Canada, jagede hans kollega Garry Rogers, en nu pensioneret seismolog, der arbejdede med Dragert ved Geological Survey of Canada, gennem kasser med gamle seismogrammer for at forsøge at identificere rysten til den tremoriske fortælling. De fandt det hver gang GPS-enhederne registrerede en langsom glidebegivenhed.
”Hårene stod på bagsiden af min hals, ” siger Rogers. ”Det var en meget spændende dag.”
Kort efter matchede Obara en glip til den rysten, han så i Japan. Nu ved vi, at der er forskellige slags langsomme jordskælv, der kan ske med eller uden rysten, på forskellige dybder og i forskellige varigheder. De har roligt gledet gennem subduktionszoner ud for kysterne i Alaska, Costa Rica, Mexico, New Zealand og endda gennem det lodrette plade-interface på San Andreas Fault, alt uden detektion (medmindre du er en satellit eller et seismometer).
”Vi havde virkelig ingen idé om, at der var hele dette rige spektrum og familie med fejlglidbegivenheder, ” siger Laura Wallace, en geofysiker ved University of Texas i Austin, der studerer langsomme jordskælv ved kysten af New Zealand. ”Det har virkelig forvandlet vores forståelse af, hvordan fejl opfører sig ved pladegrænser, og hvordan pladebevægelse imødekommes. Det er en temmelig stor aftale. ”
New Zealand og havbunden. Hikurangi-grøften ligger lige syd for den mørkeblå grøft (Kermadec-grøften) øverst i midten af dette billede. (Sandwell & Smith (1997), Stagpoole (2002)) Men at undersøge dette rige spektrum af begivenheder med langsom glid er en udfordring - dels fordi de er så subtile, og dels fordi de stort set er utilgængelige.
”Det er bare forbandet svær at se på noget, der er så dybt i Jorden, ” siger Rogers. Især hvis der også noget er dybt under havet, som de langsomme glidebegivenheder, der skifter Hikurangi-grøften ud for østkysten af New Zealands nordø op til flere centimeter hvert par år.
Så i 2014 blev Wallace kreativ. Hun ledede udrulningen af et netværk af målevæsker under vandet for at registrere enhver lodret bevægelse af havbunden, der muligvis signaliserer en langsom glidebegivenhed. Hun tidsbestemte det lige rigtigt: Trykmålerne opdagede havbunden under dem, der løftes op og ned, hvilket Wallace og hendes team beregnet til at betyde, at pladerne var glider ca. 4 til 8 tommer i løbet af et par uger. I modsætning til de langsomme glider, der forekommer dybt under overfladen i Cascadia og Japan, stammede disse glider så lidt som 2, 5 til 4 mil under havbunden - hvilket betyder, at langsomme jordskælv kan forekomme i dybder og under forhold, der er meget anderledes end dem, de oprindeligt var opdaget i.
Hvad mere er, det afsnit af grøft, som Wallaces trykmåler fangede, var den samme sektion, der frembragte to ryg-til-ryg-tsunamier i 1947, der smuldrede et sommerhus, dumpede to mænd på en indre vej og på en eller anden måde dræbte ingen.
”Hvis vi kan forstå det forhold mellem langsom glidebegivenheder og de ødelæggende jordskælv i subduktionszoner, kan vi i sidste ende muligvis bruge disse ting på en forudsigelig måde, ” siger hun.
Men først skal vi blive bedre til at opdage og overvåge dem, hvilket er lige hvad Demian Saffer ved Pennsylvania State University forsøger at gøre. I løbet af de sidste seks år har han arbejdet med forskere i Japan og Tyskland for at oprette to borehullsobservatorier - dybest set samlinger af instrumenter forseglet i borehuller dybt under havbunden nær Nankai-grøften i det sydvestlige Japan - det sted, hvor Obara først opdagede rysten .
Fra disse borehullsobservatorier såvel som fra data indsamlet af et havbundet netværk af sensorer har hans team indsamlet foreløbige beviser for langsomme glider, der falder sammen med sværme af små, lavfrekvente jordskælv. Saffer har mistanke om, at disse langsomme langsomme glider muligvis frigiver ophøjet spænding ved pladegrænsen, som ellers ville sprænge i et katastrofalt jordskælv.
Han sammenligner dette fænomen med en glidende kobling, der bygger op lidt stress, men derefter mislykkes hvert par måneder til år. ”Det, vi ser, er meget indledende, men vi ser indikationer på temmelig almindelige langsomme begivenheder, der ser ud til at lindre stress på pladegrænsen, som er lidt cool, ” siger han. Han vil præsentere disse resultater på mødet i American Geophysical Union i efteråret.
Forskere henter en pakke med undersøiske sensorer, der havde overvåget langsom glid ud for kysten af New Zealand. (Høflighed Erin Todd ved University of California-Santa Cruz) Wallace, Saffer og et stort internationalt team af forskere planlægger i øjeblikket en ekspedition for 2018 for at bore i Hikurangi-skytten for at oprette lignende observatorier. Og når de borer spins i den oceaniske skorpe, planlægger de at samle prøver af klipperne, der udgør de tektoniske plader for at forstå, hvad det drejer sig om mineraler og væsker i subduktionszonen, der tillader langsom glidning.
”Der er mange teorier om, hvilke slags fysiske forhold der kan føre til denne langsomme glideadfærd, ” forklarer Wallace. Hun siger, at en af de mest populære er, at overskydende væsker i fejlzonen svækker det og lader det glide lettere. ”Men det forstår vi stadig ikke rigtig, ” tilføjer hun.
Tilbage, hvor det hele begyndte, i Cascadia-subduktionszonen, arbejder University of Washingtons Heidi Houston også med at forstå de grundlæggende mekanismer, der ligger til grund for langsomme jordskælv. ”Hvilke processer holder dem langsomme?” Siger Houston. ”Det er det centrale mysterium for dem.”
Houston opdagede for nylig, at når rystelser rumler under fejlzoner, kræfter så mundtlige som tidevandet kan styrke dem. Hun fortsætter med at undersøge, hvordan dybden, væsketrykket og mineraler afsat ved grænsen mellem tektoniske plader ændrer egenskaberne ved langsomme jordskælv.
Ligesom de andre seismologer, geovidenskabsmænd og geofysikere, der har graviteret mod langsomme jordskælv siden de blev opdaget, motiverer spændingen over det, der forbliver ukendt, Houston - ligesom muligheden for, at forståelse af langsomme jordskælv en dag giver os indsigt i dødbringende jordskælv.
”Jeg har tiden i mit liv på at studere denne proces, ” siger hun.
