Op 11 maart 2011 schudde een aardbeving met een kracht van 9.0 in Japan bijna zes minuten lang, wat leidde tot een tsunami en een nucleaire ramp die samen bijna 20.000 mensen doodde. Maar onder het oppervlak begonnen de tektonische platen voor de oostkust van Japan stil te verschuiven lang voordat het schudden begon. In februari 2011 begonnen twee stillere aardbevingen langzaam langs de Japanse loopgraaf te kruipen naar het punt waar de enorme aardbeving met megathrust een maand later zou uitbarsten.
gerelateerde inhoud
- De geologie achter de catastrofale aardbeving in Italië
- Seismische vertragingen kunnen waarschuwen voor dreigende aardbevingen
Deze vreemde, stille aardbevingen worden langzame slipgebeurtenissen genoemd, of langzame aardbevingen - overkoepelende termen voor het spectrum van ingetogen bewegen en schudden dat gebeurt op de grens tussen tektonische platen. Pas in de afgelopen 20 jaar ontdekt, zijn langzame aardbevingen nog steeds een seismische puzzel. Ze kunnen tektonische platen evenveel of meer dan een magnitude 7 aardbeving verschuiven. Maar terwijl een regelmatige aardbeving plotseling seismische golven vrijmaakt die gebouwen kunnen omverwerpen, duurt een langzame aardbeving dagen, maanden, soms zelfs jaren - en mensen in de buurt voelen er nooit iets aan.
Men denkt dat deze onmerkbare gerommel vooraf is gegaan aan massieve aardbevingen die door Japan, Mexico en Chili zijn gescheurd - maar we weten niet of langzame aardbevingen de massieve trillingen hebben veroorzaakt of zelfs hoe ze zich verhouden tot hun snellere, gevaarlijkere tegenhangers. Decoderen wanneer, waar en waarom een trage aardbeving ons kan helpen de meest gevaarlijke foutzones op onze planeet te begrijpen - en ons mogelijk zelfs kan helpen verwoestende aardbevingen en tsunami's te voorspellen voordat ze hun tol eisen.
"Het is een waar mysterie", zegt Heidi Houston, een geofysicus aan de Universiteit van Washington in Seattle. "We hebben tientallen jaren regelmatig aardbevingen bestudeerd en we begrijpen een aantal dingen over hen - en dan komt dit proces en het is hetzelfde in sommige aspecten, en zo heel anders in sommige andere aspecten."
Sensoren installeren om subtiele aardbewegingen te volgen. (Courtesy Herb Dragert) Vóór het einde van de jaren negentig dachten geowetenschappers dat ze begrepen hadden hoe de puzzel van tektonische platen die het aardoppervlak bedekken, bewegen en in elkaar passen. Ze namen aan dat als een plaat van de aardkorst langs een andere glijdt, de platen ofwel gestaag langs elkaar kruipen of vast komen te zitten, stress opbouwen totdat ze explosief vrij glijden in een aardbeving die uit de breukzone golft.
Maar beginnend rond het nieuwe millennium, beschreef een vlaag van wetenschappelijke publicaties een nieuwe klasse van terugkerende en wijdverspreide langzame aardbevingen waargenomen aan tegenovergestelde randen van de Pacific Rim.
Het eerste rapport van een duidelijk omschreven slow slip-evenement kwam uit de Cascadia Subduction Zone, die wordt gevormd door de Juan de Fuca-plaat die onder de Noord-Amerikaanse plaat van Noord-Californië naar Vancouver Island duwt. Daar worden de gebieden ongeveer 20 mijl onder het oppervlak verzacht door de diepten en hoge temperaturen en glijden soepel langs elkaar. Maar ondiepere, broze delen van de glijdende tektonische platen kunnen aan elkaar vast komen te zitten totdat het vastzittende gebied in een gigantische megatrust scheurt. Cascadia heeft sinds de jaren 1700 geen gigantische aardbeving ontketend - maar gerommel in de seismische gemeenschap suggereert dat de volgende grote komt.
In 1999 merkte geofysicus Herb Dragert met de Geological Survey of Canada op dat een aantal continue GPS-meetstations op zuidelijk Vancouver Island en het Olympisch schiereiland zich vreemd gedroegen. Zeven van hen sprongen gedurende een aantal weken ongeveer een kwart inch in de tegenovergestelde richting van de normale beweging van de plaat. Dit soort achteruit springen is wat je zou verwachten bij een aardbeving - maar er was geen waarneembare trilling geweest.
"Herb was in het begin erg bezorgd - hij dacht dat er iets mis was met de gegevens", zegt Kelin Wang, een wetenschapper bij de Geological Survey of Canada die samen met Dragert en geowetenschapper Thomas James werkte om deze puzzel te decoderen. "Hij probeerde alles om zichzelf ongelijk te bewijzen, en alles faalde."
Dat komt omdat er niets mis was met de gegevens. Het team besefte al snel dat ze de plaat van Noord-Amerika en de plaat van Juan de Fuca zachtjes zagen uitglijden terwijl de pleisters waar ze aan elkaar waren geplakt, opengeritst waren. Op 18 tot 24 mijl onder het oppervlak bevonden deze vastzittende plekken zich boven het hogetemperatuurgebied onder hoge druk waar de platen soepel glijden, maar onder de vergrendelde, aardbeving genererende delen van de subductiezone. En het blijkt dat de plakkerige, tussenliggende zone slipt volgens een schema, ongeveer om de 14 maanden.
Rond dezelfde tijd merkte een seismoloog bij het National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention in de Stille Oceaan laagfrequente trillingen op die zich periodiek van seismometer naar seismometer verspreidden over de subductiezone Nankai Trough in Zuidwest-Japan. Kazushige Obara, die nu verbonden is aan het Earthquake Research Institute van de Universiteit van Tokio, merkt op dat deze gerommel 21 mijl onder de oppervlakte begon en dagenlang kon doorgaan, vergelijkbaar met de beving die gepaard gaat met vulkaanuitbarstingen - maar dit was geen vulkanisch gebied.
Toen Obara en Dragert elkaar ontmoetten op een conferentie, realiseerden ze zich dat de trage slipgebeurtenissen die Dragert detecteerde door GPS en de niet-vulkanische beving die Obara opliep op seismometers, beide tekenen konden zijn van hetzelfde type onmerkbare plaatbeweging in subductiezones.
"Ik werd getroffen door hun vergelijkbare duur, identieke afstemmingen met de staking van hun respectieve subductiezones, vergelijkbare diepten van optreden, " zegt Dragert in een e-mail.
Dus toen Dragert terugkeerde naar Canada, zocht zijn collega Garry Rogers, een inmiddels gepensioneerde seismoloog die met Dragert werkte bij de Geological Survey of Canada, door dozen met oude seismogrammen om te proberen de veelbetekenende golfvorm van de tremor te identificeren. Ze vonden het elke keer dat de GPS-eenheden een slow slip-gebeurtenis vastlegden.
"De haren stonden rechtop in mijn nek", zegt Rogers. "Dat was een heel spannende dag."
Kort daarna combineerde Obara een slip met de beving die hij in Japan zag. Nu weten we dat er verschillende soorten langzame aardbevingen zijn die kunnen gebeuren met of zonder trillen, op verschillende diepten en voor verschillende duur. Ze zijn stilletjes uitgegleden door subductiezones voor de kust van Alaska, Costa Rica, Mexico, Nieuw-Zeeland en zelfs via de verticale plaatinterface van de San Andreas Fault, allemaal zonder detectie (tenzij je een satelliet of een seismometer bent).
"We hadden echt geen idee dat er een heel rijk spectrum en een hele reeks foutgebeurtenissen was", zegt Laura Wallace, een geofysicus aan de Universiteit van Texas in Austin, die langzame aardbevingen bestudeert voor de kust van Nieuw-Zeeland. “Het heeft echt ons begrip van hoe fouten zich gedragen op plaatgrenzen getransformeerd en hoe plaatbeweging wordt opgevangen. Het is een behoorlijk groot probleem. "
Nieuw Zeeland en de zeebodem. De Hikurangi-loopgraaf bevindt zich net ten zuiden van de donkerblauwe loopgraaf (de Kermadec-loopgraaf) in het midden bovenaan deze afbeelding. (Sandwell & Smith (1997), Stagpoole (2002)) Maar het onderzoeken van dit rijke spectrum van slow slip-evenementen is een uitdaging - deels omdat ze zo subtiel zijn, en deels omdat ze grotendeels ontoegankelijk zijn.
"Het is gewoon verdomd moeilijk om naar iets te kijken dat zo diep in de aarde is", zegt Rogers. Vooral als dat iets ook diep onder de zee is, zoals de langzame slipgebeurtenissen die de Hikurangi-geul van de oostkust van het Noordereiland van Nieuw-Zeeland om de paar jaar tot enkele centimeters verschuiven.
Dus in 2014 werd Wallace creatief. Ze leidde de inzet van een netwerk van onderwatermanometers om elke verticale beweging van de zeebodem te detecteren die een langzame slipgebeurtenis zou kunnen signaleren. Ze heeft het precies goed getimed: de drukmeters detecteerden de oceaanbodem onder hen die op en neer zwoegde, wat Wallace en haar team berekenden om te betekenen dat de platen over een paar weken ongeveer 4 tot 8 inch waren uitgegleden. In tegenstelling tot de langzame slips die diep onder het oppervlak in Cascadia en Japan voorkomen, zijn deze slips ontstaan slechts 2, 5 tot 4 mijl onder de zeebodem - wat betekent dat langzame aardbevingen kunnen plaatsvinden in diepten en onder omstandigheden die heel anders zijn dan die ze oorspronkelijk waren ontdekt in.
Wat meer is, het gedeelte van de greppel dat Wallace's manometers vastgreep, was hetzelfde gedeelte dat twee rijtjes tsunami's in 1947 genereerde die een huisje afbrokkelde, twee mannen op een binnenlandse weg liet vallen en op de een of andere manier niemand doodde.
"Als we die relatie tussen langzame slipgebeurtenissen en de schadelijke aardbevingen op subductiezones kunnen begrijpen, kunnen we deze dingen uiteindelijk mogelijk op een voorspellende manier gebruiken", zegt ze.
Maar eerst moeten we beter worden in het detecteren en monitoren, wat precies is wat Demian Saffer aan de Pennsylvania State University probeert te doen. De afgelopen zes jaar werkte hij samen met wetenschappers in Japan en Duitsland om twee boorgatobservatoria op te zetten - in feite verzamelingen van instrumenten verzegeld in boorgaten diep onder de zeebodem bij de Nankai Trench in Zuidwest-Japan - de plaats waar Obara voor het eerst tremor ontdekte .
Van deze boorgatobservatoria en van gegevens die zijn verzameld door een zeebodemnetwerk van sensoren, heeft zijn team voorlopig bewijs verzameld voor langzame slips die samenvallen met zwermen kleine, laagfrequente aardbevingen. Saffer vermoedt dat deze trage, langzame slips mogelijk opgehoopte spanning aan de plaatgrens vrijgeven die anders zou barsten in een catastrofale aardbeving.
Hij vergelijkt dit fenomeen met een slippende koppeling die een beetje stress opbouwt, maar vervolgens om de paar maanden tot jaren faalt. "Wat we zien is heel voorlopig, maar we zien aanwijzingen voor vrij vaak trage gebeurtenissen die stress op de plaatgrens lijken te verlichten, wat nogal cool is, " zegt hij. Hij zal deze resultaten presenteren tijdens de bijeenkomst van de American Geophysical Union dit najaar.
Onderzoekers halen een reeks onderwatersensoren op die langzame slip voor de kust van Nieuw-Zeeland hadden gevolgd. (Courtesy Erin Todd aan de Universiteit van Californië-Santa Cruz) Wallace, Saffer en een groot internationaal team van wetenschappers plannen momenteel een expeditie voor 2018 om in de Hikurangi-loopgraaf te boren om soortgelijke observatoria op te zetten. En terwijl ze spins in de oceaanbodem boren, zijn ze van plan monsters te verzamelen van de rotsen waaruit de tektonische platen bestaan om te begrijpen wat het is over de mineralen en de vloeistoffen in de subductiezone die een langzame slip mogelijk maken.
"Er zijn veel theorieën over welke soorten fysieke omstandigheden kunnen leiden tot dit langzame slipgedrag, " legt Wallace uit. Ze zegt dat een van de meest populaire is dat overtollige vloeistoffen in de storingszone het verzwakken en het gemakkelijker laten slippen. "Maar dat begrijpen we nog steeds niet echt, " voegt ze eraan toe.
Terug in de subductiezone van Cascadia werkt Heidi Houston van de Universiteit van Washington ook aan het begrijpen van de basismechanismen die ten grondslag liggen aan langzame aardbevingen. "Welke processen houden ze langzaam?" Zegt Houston. "Dat is het centrale mysterie van hen."
Houston ontdekte onlangs dat als trillingen onder de foutzones rommelen, krachten zo alledaags als de getijden hen kunnen versterken. Ze blijft onderzoeken hoe de diepte, vloeistofdruk en mineralen afgezet op de grens tussen tektonische platen de eigenschappen van langzame aardbevingen veranderen.
Net als de andere seismologen, geowetenschappers en geofysici die aangetrokken zijn door langzame aardbevingen sinds ze werden ontdekt, motiveert de spanning van wat nog onbekend is Houston - evenals de mogelijkheid dat het begrijpen van langzame aardbevingen ons ooit inzicht kan geven in dodelijke aardbevingen.
"Ik heb de tijd van mijn leven om dit proces te bestuderen", zegt ze.
