Seismiske biomarkører i Japan Trench-forkastningszone afslører historien om store jordskælv

I kølvandet på det ødelæggende Tohoku-Oki jordskælv, der ramte ud for Japans kyst i marts 2011, seismologer var lamslåede over de hidtil usete 50 meter lavvandede forskydninger langs forkastningen, som bristede helt til overfladen af ​​havbunden. Dette ekstreme skred på lavt vand forværrede den massive tsunami, sammen med jordskælvet med en styrke på 9,1, forårsaget omfattende skader og tab af menneskeliv i Japan.

I en ny undersøgelse, udgivet 27. januar i Naturkommunikation , forskere brugte en ny teknik til at studere fejlene i Japan-graven, subduktionszonen, hvor Tohoku-Oki jordskælvet ramte. Deres fund afslører en lang historie med store jordskælv i denne forkastningszone, hvor de fandt flere fejl med tegn på mere end 10 meters slip under store jordskælv.

"Vi fandt beviser på mange store jordskælv, der er sprængt til havbunden og kunne have genereret tsunamier som den, der ramte i 2011, " sagde medforfatter Pratigya Polissar, lektor i havvidenskab ved UC Santa Cruz.

Japanske forskere, der ser på sedimentaflejringer på land, har fundet beviser for, at mindst tre lignende tsunamier har fundet sted i denne region ved ca. 000 års intervaller. Den nye undersøgelse tyder på, at der har været endnu flere store jordskælv på denne forkastningszone end dem, der efterlod beviser på land på store tsunamier, sagde medforfatter Heather Savage, lektor i jord- og planetvidenskab ved UC Santa Cruz.

Savage og Polissar har udviklet en teknik til at vurdere historien om jordskælvsglidning på en forkastning ved at analysere organiske molekyler fanget i sedimentære bjergarter. Oprindeligt syntetiseret af marine alger og andre organismer, disse "biomarkører" ændres eller ødelægges af varme, herunder den friktionsopvarmning, der opstår, når en fejl glider under et jordskælv. Gennem omfattende laboratorietests gennem det sidste årti, Savage og Polissar har udviklet metoder til at kvantificere den termiske udvikling af disse biomarkører og bruge dem til at rekonstruere temperaturhistorien for en fejl.

Japan Trench Fast Drilling Project (JFAST) borede ind i fejlzonen i 2012, udvinding af kerner og installation af et temperaturobservatorium. UCSC seismolog Emily Brodsky hjalp med at organisere JFAST, hvilket gav den første direkte måling af friktionsvarmen produceret af fejlglidningen under et jordskælv (se tidligere historie). Denne varme forsvinder efter jordskælvet, imidlertid, så signalet er lille og forbigående.

"Biomarkørerne giver os en måde at opdage permanente ændringer i klippen, der bevarer en registrering af opvarmning på forkastningen, " sagde Savage.

Til den nye undersøgelse, forskerne undersøgte JFAST-kernerne, som strakte sig gennem forkastningszonen ind i subduktionspladen nedenfor. "Det er en kompleks fejlzone, og der var mange fejl i hele kernen. Vi var i stand til at sige, hvilke fejl der havde tegn på store jordskælv i fortiden, " sagde Savage.

Et af deres mål var at forstå, om nogle stentyper i forkastningszonen var mere tilbøjelige til at udskride i et jordskælv end andre sten. Kernerne passerede gennem lag af muddersten og ler med forskellige friktionsstyrker. Men biomarkøranalysen viste tegn på store seismiske slip-on-forkastninger i alle de forskellige stentyper. Forskerne konkluderede, at forskelle i friktionsegenskaber ikke nødvendigvis bestemmer sandsynligheden for stor lavvandet glidning eller seismisk fare.

Savage og Polissar begyndte at arbejde på biomarkørteknikken som postdoktorale forskere ved UC Santa Cruz, udgav deres første papir om det med Brodsky i 2011. De fortsatte med at udvikle det som forskere ved Lamont-Doherty Earth Observatory ved Columbia University, før han vendte tilbage til UC Santa Cruz som fakultetsmedlemmer i 2019. Hannah Rabinowitz, den første forfatter til det nye papir, arbejdet med dem som kandidatstuderende ved Columbia og er nu ved det amerikanske energiministerium.

"Vi har testet denne teknik i forskellige sten med forskellige aldre og opvarmningshistorier, og nu kan vi sige ja der var et jordskælv på denne fejl, og vi kan se, om der var en stor eller mange små, " sagde Savage. "Vi kan nu tage denne teknik til andre fejl for at lære mere om deres historie."

Ud over Rabinowitz, Brutal, og Polissar, medforfatterne til papiret omfatter Christie Rowe og James Kirkpatrick ved McGill University. Dette arbejde blev finansieret af National Science Foundation. JFAST-projektet blev sponsoreret af International Ocean Drilling Program (IODP).