Oprettelse af varmekort over jordskælv - temperaturspidser efterlader spor i klippen

Når du gnider dine hænder sammen for at varme dem, friktionen skaber varme. Det samme sker under jordskælv, kun i en meget større skala:Når en fejl glider, temperaturen kan stige med hundredvis af grader, høj nok til at ændre organiske forbindelser i klipperne og efterlade en signatur. Et team af forskere ved Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory har udviklet metoder til at bruge disse organiske signaturer til at rekonstruere tidligere jordskælv og udforske, hvor disse jordskælv startede og stoppede, og hvordan de bevægede sig gennem forkastningszonen. Oplysningerne kan i sidste ende hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå, hvad der styrer jordskælv.

Lamont geofysiker Heather Savage og geokemiker Pratigya Polissar begyndte at udvikle metoderne for omkring otte år siden, bygger på teknikker brugt af olieindustrien. Deres unikke parring af to felter - bjergmekanik og organisk geokemi - muliggjorde innovationer, der ændrer, hvordan vi ser på jordskælv.

Processen starter i marken, langs en forkastning, hvor videnskabsmænd enten fliser eller borer prøver inde fra fejlzonen. Når sedimenter i en fejlzone opvarmes af friktion af et jordskælv, det korte, men kraftige varmeudbrud ændrer den kemiske sammensætning af organisk materiale inde i klippen. (Den samme proces over lange perioder skaber olie og gas.) Forskere kan undersøge de organiske forbindelser i disse prøver og sammenligne forholdet mellem stabile molekyler og ustabile molekyler for at måle deres termiske modenhed og bestemme, hvor varm hver prøve blev.

"Hvis selv en lille struktur inden for en fejl har haft et jordskælv, vi kan faktisk se forskellen mellem hvor varmt den del af fejlen blev kontra alt udenfor den, "Savage sagde." Det, vi ønsker at finde ud af, er, hvor jordskælvene i denne store fejlzone faktisk skete. Sker de alle til den ene side? Er de fordelt overalt? Er de alle samlet på det svageste materiale inden for forkastningszonen?"

"Det her gør, er at give os et billede, næsten som et varmekort, af selve fejlen, og de varmeste steder er, hvor jordskælvene skete, " sagde Savage.

Når temperaturen er høj nok, sten kan smelte, skabe glaslignende pseudotachylytter. Geologer har brugt disse smeltede stenrester i flere år, men det er sjældent at finde dem.

Brutal, Polissar, og deres hold kigger nærmere, til det molekylære niveau, hvor de kan måle den termiske modenhed af almindelige organiske forbindelser for at bestemme, hvor varm prøven blev. De tester ofte for methylphenanthrener, organiske molekyler, der er ret almindelige i forkastninger i sedimentære bjergarter mellem 1 og 5 kilometer under jorden. Ved dybere fejl, omkring 10-14 kilometer nede, forskerne kan lede efter diamantoider, som er blandt de mest termisk stabile organiske forbindelser.

For at sætte deres molekylære data ind i kontekst, forskerne skal også forstå, hvordan sten i forkastningen reagerer på varme og tryk. I Lamonts Rock and Ice Mechanics Lab, Savages team kan teste stenprøver under en bred vifte af høje tryk og temperaturer. Fra deres eksperimenter, de kan udvikle modeller, der viser, hvor meget forskydningsspænding og forskydning, der kræves for at generere specifikke niveauer af varme i bestemte typer sten, og så hvordan den varme vil henfalde gennem diffusion.

Ved hjælp af disse modeller, forskerne kan derefter se på den geokemiske analyse af deres prøver, bestemme de temperaturer, forbindelserne blev udsat for tidligere, og estimer friktionen fra jordskælvet og hvor langt fejlen gled.

For eksempel, da teamet testede prøver fra Pasagshak Point -megatrustet på Alaskas Kodiak -ø, de målte forholdet mellem termisk stabile diamantoider til termisk ustabile alkaner og bestemte, at temperaturen under et tidligere jordskælv ville være steget mellem 840 ° C og 1170 ° C over den normale temperatur på den omgivende sten. Fra den temperaturstigning, de var i stand til at anslå, at jordskælvets friktionsenergi ville have været 105-227 megajoule per kvadratmeter, sandsynligvis et jordskælv med en styrke på 7 eller 8. Ved at bruge deres eksperimentelle friktionsmålinger, de kunne så vurdere, at fejlen måtte være skredet 1-8 meter.

Ved American Geophysical Union Fall Meeting i dag i San Francisco, Genevieve Coffey, en kandidatstuderende i Savages team på Lamont, præsenterede tidlige resultater fra deres test med den højeste densitet endnu, involverer prøver taget i transekter langs Muddy Mountain-fremstødet i Nevada. En overraskelse var, at de steder, hvor man kunne forvente at se høje temperaturer på grund af de lokale strukturer i klippen, ikke nødvendigvis var de steder, hvor de fandt det, Sagde Coffey. "Strukturel variabilitet langs en fejl indikerer ikke nødvendigvis, at der er sket glidning langs den sektion, " hun sagde.

Savages team arbejder på lignende eksperimenter ved San Andreas -fejlen, og Japan-skyttegraven, hvor Tōhoku-jordskælvet begyndte, og de arbejder sammen med kolleger om teknikker til at datere jordskælvene.

"Det vigtige skridt for os er at bestemme, hvordan hver af disse forbindelser reagerer på tid og temperatur, " sagde Savage. "Det vil fortælle os om fysikken i jordskælvene i den fejl, hvilket på sigt kan føre til en bedre forståelse af jordskælvsfaren."