Går dybt for at lære hemmelighederne bag Japans jordskælv

Tohoku-Oki jordskælvet den 11. marts 2011 var det største og mest ødelæggende i Japans historie. Japanske forskere – og deres norske partnere – arbejder hårdt på at prøve at forstå, hvad der gjorde det så ødelæggende.

Det massive jordskælv, der rystede Japan den 11. marts 2011, dræbte mere end 20, 000 mennesker, gør det til en af ​​de mest dødelige naturkatastrofer i landets historie. Stort set alle ofrene druknede i en tsunami, der stedvis var mere end 30 meter høj.

Tsunamien lammede også Fukushima Daiichi atomkraftværket, forårsager nedsmeltninger i tre af anlæggets seks reaktorer og frigiver rekordstore mængder af stråling til havet. Reaktorerne var på et tidspunkt så ustabile, at den tidligere premierminister, Naoto Kan, senere indrømmede han overvejede at evakuere 50 millioner mennesker fra den større Tokyo-region. Til sidst, 160, 000 mennesker måtte forlade deres hjem på grund af stråling.

Denne nationale katastrofe, Japans største jordskælv nogensinde, var en opfordring til handling for japanske jordforskere. Deres mission:at forstå præcis, hvad der skete for at gøre dette jordskælv så ødelæggende. For det, de henvendte sig til JAMSTEC, Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology for at undersøge hemmelighederne i den 7000 meter dybe Japan Trench, temblorens epicenter.

I de fem år siden katastrofen, forskere har fundet spændende spor om, hvad der gjorde jordskælvet så farligt. Norsk petroleumsekspertise fra arbejdet på den norske kontinentalsokkel hjælper nu med at afdække nye detaljer, mens forskere fortsætter med at forsøge at forstå, hvilke faktorer der bidrager til at gøre et jordskælv i denne region virkelig stort. Derved, de håber bedre at kunne forudsige omfanget og placeringen af ​​fremtidige jordskælv og tsunamier.

Et virvar af tektoniske plader

Japan sidder på, hvad der kan være et af de farligste steder muligt, når det kommer til jordskælv. Den nordlige del af landet ligger på et stykke af den nordamerikanske plade, hvorimod den sydlige del af landet ligger på den eurasiske plade. I Norden, Stillehavspladen glider ned under den nordamerikanske plade, mens mod syd, den eurasiske plade rider over den filippinske havplade. Når en plade bevæger sig i forhold til en anden, bevægelsen kan udløse et jordskælv og tsunami.

Det komplekse virvar af tektoniske plader forklarer, hvorfor ca. 500 jordskælv rasler landet hvert år, og hvorfor det er hjemsted for 40 aktive vulkaner - 10 procent af verdens samlede.

I betragtning af at Japan oplever så mange jordskælv, jordskælvet, der rystede landet den 11. marts om eftermiddagen, var ikke helt uventet. Faktisk, forskere forudsagde, at regionen ville opleve et jordskælv med en styrke på 7,5 eller mere i løbet af de næste 30 år.

Jordskælv er rutine nok i Japan til, at landet har strenge byggeregler for at forhindre skader. De fleste store bygninger vrider sig og svajer med jordens rystelser – en mand i Tokyo fortalte BBC, at bevægelserne i hans arbejdsplads skyskraber under jordskælvet i 2011 var så stærke, at han følte sig søsyg – og selv Fukushima Daiichi atomkraftværket var beskyttet af 10- meter høj strandvold.

Alligevel gjorde en kombination af faktorer Tohoku-Oki jordskælvet større og med en mere dødbringende tsunami end forskerne forventede. Men hvad?

"Dette er, hvad vi ønsker at forstå - og for at afbøde, " siger Shin'ichi Kuramoto, Generaldirektør for Center for Deep Earth Exploration hos JAMSTEC. "Hvorfor opstår disse store jordskælv?"

En rigtig stor slip

JAMSTEC-forskere mobiliserede næsten umiddelbart efter katastrofen, og sendte deres 106 meter lange forskningsfartøj RV Kairei til jordskælvets epicenter blot få dage efter, at det indtraf.

I lidt over to uger, skibet krydsede over Japan Trench ud for Honshus kyst. Formålet var at skabe et batymetrisk billede af havbunden og at indsamle seismiske refleksionsdata, som giver forskere mulighed for at kigge ind i sedimenterne og klipperne under havbunden.

Et efterfølgende krydstogt af JAMSTEC's RV Kaiyo 7-8 måneder efter jordskælvet indsamlede yderligere seismiske billeder i høj opløsning i området. Heldigvis, forskerne havde også data fra en lignende undersøgelse, der var blevet udført i 1999 i samme region.

Dataene viste dem, at den landvendte havbund i skyttegravsområdet gled så meget som 50 meter vandret, sagde Yasuyuki Nakamura, Stedfortrædende gruppeleder i JAMSTEC's Center for Jordskælv og Tsunami Strukturel Seismologi Group.

"Dette var et stort skred i skyttegravsaksen, sagde han. Til sammenligning, jordskælvet i Kobe i 1995, som dræbte mere end 6000 mennesker og var en størrelsesorden 7,3, havde et gennemsnitligt skred på 2 meter."

Endnu et jordskælv med en styrke på 8 i 1946 i Nankai-området i det sydlige Japan, der ødelagde 36, 000 hjem havde et maksimalt skred på 10 meter, sagde Nakamura.

"Så du kan se, at 50 meter er et meget stort slip, " sagde han. Det i sig selv forklarer til dels, hvorfor tsunamibølgen var så stor, han sagde.

Oprettelse af billeder ved hjælp af lydbølger

Da Martin Landrø, en geofysiker ved Norges Tekniske Universitet (NTNU), læste om det japanske jordskælv og fandt ud af, at hans japanske kolleger havde indsamlet seismiske data fra både før og efter jordskælvet, han tænkte, at han måske kunne tilbyde noget hjælp.

I mere end 20 år, Landrø har arbejdet med fortolkning og visualisering af seismiske data. Olieselskaber og geofysikere bruger rutinemæssigt denne tilgang til at indsamle information om geologien under havbunden. Landrø har undersøgt alt fra at sætte seismiske data på arbejde for at opdage nye undersøiske oliereservoirer til at visualisere, hvad der sker med CO2, der injiceres i et undersøisk reservoir, som man nu gør på Sleipner feltet i Nordsøen.

Det fungerer sådan her:et skib sejler langs en lige linje i 100 kilometer eller mere, og bruger luftgevær til at sende et akustisk signal hver 50. meter, mens skibet sejler med. Skibet slæber også et langt kabel bag sig for at registrere de akustiske signaler, der reflekteres tilbage af sedimenterne og grundfjeldet under havbunden. Enkelt sagt, hårdere materialer reflekterer signaler hurtigere tilbage end blødere materialer.

Geologer kan skabe et todimensionelt billede, et tværsnit af geologien under havbunden, ved at trække ét langt kabel bag om et skib. Et tredimensionelt billede kan skabes ved at trække et antal kabler med sensorer på og i det væsentlige kombinere en række todimensionelle billeder til et tredimensionelt.

En meget speciel type seismiske data, imidlertid, kaldes 4-D, hvor den fjerde dimension er tid. Her, geofysikere kan kombinere 2-D billeder fra forskellige tidsperioder, eller 3-D-billeder fra forskellige tidsperioder for at se, hvordan et område har ændret sig over tid. Det kan være meget komplekst, især hvis forskellige systemer er blevet brugt til at indsamle de seismiske data fra de to forskellige tidsperioder. Men 4-D seismisk analyse er Landrøs særlige ekspertise.

Fra Nordsøens oliereservoirer til Japan Trench

Landrø kontaktede Shuichi Kodaira, direktør for JAMSTEC's Center for Jordskælv og Tsunami, og sagde, at han ønskede at se, om nogle af de teknikker, der var blevet brugt til petroleumsrelaterede formål, kunne bruges til at forstå stressændringer relateret til jordskælv. Kodaira var enig.

Så var det bare et spørgsmål om at hente dataene og "genbehandle dem, Landrø sagde, at gøre de to forskellige tidsperioder så sammenlignelige som muligt.

"Vi kunne så estimere bevægelser og ændringer forårsaget af jordskælvet på havbunden og under havbunden, sagde Landrø.

Efter næsten et års fjernarbejde sammen om dataene, Landrø og hans norske kolleger fløj til Japan i november 2016 for at møde deres japanske kolleger for første gang. De er nu i gang med i fællesskab at skrive en videnskabelig artikel til udgivelse, så han er tilbageholdende med at beskrive deres nye resultater i detaljer, før de offentliggøres.

"Det ultimative mål her er at forstå, hvad der skete under jordskælvet på en så detaljeret måde som muligt. Det store billede er mere eller mindre det samme, ", sagde Landrø. "Det er mere som om, vi ser på små detaljer, der kan være vigtige ved at bruge en teknik, der har været brugt i olieindustrien i mange år. Måske vil vi se nogle detaljer, som ikke er set før."

Et tidligt varslingssystem

Landrø er også interesseret i et system, som JAMSTEC har installeret i havet ud for den sydlige del af landet, kaldet Dense Oceanfloor Network system for jordskælv og tsunamier, mere almindeligt kendt som DONET.

DONET-systemet (som der nu er to af) er en række forbundne tryksensorer installeret på havbunden i Nankai-troughet, et område, der er blevet ramt af gentagne farlige jordskælv, sagde JAMSTECs Nakamura.

Nankai-truget er placeret, hvor den filippinske havplade glider under den eurasiske plade med en hastighed på omkring 4 cm om året. Generelt, der har været store jordskælv langs truget hvert 100. til 150. år.

DONET 1 inkluderer også en række seismometre, hældningsmålere og belastningsindikatorer, der blev installeret i en pit 980 meter under et kendt jordskælvscenter i Nankai-troughet. Sensorerne fra brønden og fra havbunden ovenfor er alle forbundet i et netværk af kabler, der sender realtidsobservationer til overvågningsstationer og til lokale myndigheder og virksomheder.

I det væsentlige, hvis der er bevægelse stor nok til at forårsage et jordskælv og tsunami, sensorerne vil rapportere det. JAMSTEC-forskere har udført undersøgelser, der viser, at DONET-netværket kunne opdage en kommende tsunami så meget som 10 til 15 minutter tidligere end landbaserede detektionsstationer langs kysten. Disse ekstra minutter kan betyde at redde tusindvis af liv.

"Et af hovedformålene her er at give et tidligt varslingssystem for tsunami, " sagde Nakamura. "Vi har samarbejdet med lokale regeringer for at etablere dette."

Andre applikationer en mulighed

Landrø siger, at han mener, at brug af teknikker fra 4-D seismisk billeddannelse også kunne bruges med de data, der indsamles af alle DONET-sensorerne.

DONET-tilgangen, eller en variation af det, kan også være nyttig i fremtiden, da Norge og andre lande udforsker at bruge oliereservoirer til at lagre CO2. En af de største bekymringer ved lagring af CO2 i undersøiske reservoirer er at overvåge lagerområdet for at sikre, at CO2 forbliver på plads. Et overvågningssystem i DONET-stil kunne være interessant her, sagde Landrø.

Landrø siger også, at han mener, at teknikker fra 4-D seismisk billeddannelse kunne bruges med data indsamlet af alle DONET-sensorerne for at opnå en bedre forståelse af, hvordan området ændrer sig over tid.

DONET "er passive data, lytter til klippen, " sagde Landrø. "Men her kunne man også bruge nogle af de samme teknikker som til 4-D-analyse for at lære mere."