Skælv ved Lake Erie udløst af skiftende vandstand? Undersøgelse finder ingen rygende pistol, opfordrer til yderligere forskning

I juni 2019 opstod et jordskælv med en styrke på 4,0 under Lake Erie lige ved kystlinjen i Ohio, omkring 20 miles nordøst for Cleveland.

Selvom der ikke blev rapporteret om skader, blev undervandsskælvet bredt mærket op til 60 miles væk – i hele det nordøstlige Ohio og i dele af Pennsylvania, Ontario og det sydøstlige Michigan.

Skælvet og de talrige efterskælv fandt sted nær slutningen af ​​en periode med rekordhøje stigninger i Great Lakes-vandstanden og faldt sammen med den højeste vandstand, der nogensinde er registreret på Lake Erie. Kan der være en sammenhæng mellem Lake Erie-seismicitet og fluktuerende vandstande i søen?

For at finde ud af det har forskere fra University of Michigan og deres kolleger udarbejdet et nyt katalog over 437 relativt små jordskælv i Lake Erie-området, der fandt sted mellem 2013 og 2020 - det mest komplette katalog, der nogensinde er opnået. Alle jordskælvene var mindre end begivenheden i juni 2019, og de fleste blev sandsynligvis ikke bemærket af indbyggerne i regionen.

Derefter beregnede forskerne de belastninger, som skift i Lake Erie-vandstanden ville give fejl i klipperne under søen, og brugte forskellige statistiske metoder til at lede efter en sammenhæng mellem jordskælvshastigheder og vandstande.

Deres dom?

"Der kunne ikke etableres nogen afgørende sammenhæng mellem jordskælvshastighed og vandstand eller vandstandsændringshastighed," sagde U-M geofysiker Yihe Huang, medforfatter til en undersøgelse offentliggjort online 9. maj i tidsskriftet Seismological Research Letters .

Manglen på en rygende pistol kan til dels skyldes det begrænsede antal jordskælv i det nye katalog, ifølge forskerne. Desuden er Lake Erie-inducerede stressændringer på nærliggende jordskælvsforkastninger sandsynligvis 10 eller 100 gange mindre end dem, der ses på steder – såsom reservoiret bag Indiens massive Koyna Dam – hvor jordskælv er blevet skyld i skiftende vandstande.

"Vi kan ikke fuldt ud udelukke virkningen af ​​at øge vandstanden på at genaktivere de fejl, der var vært for jordskælvssekvensen i Ohio i 2019," sagde studielederforfatter Dongdong Yao, en tidligere U-M postdoc-forsker, som nu er ved China University of Geosciences.

"Vores resultater fremhæver nødvendigheden af ​​tættere og tættere overvågning af søens seismicitet for yderligere at undersøge virkningen af ​​skiftende vandbelastning på reaktivering af lavvandede forkastninger i denne region."

For at følge op på deres resultater vil Huang og hendes kolleger bruge nye teknikker til at overvåge Great Lakes regional seismologi og vil udføre fysikbaserede simuleringer. Specifikt:

• Huang og UM-seismolog Zack Spica planlægger et felteksperiment denne sommer for at konvertere et eksisterende fiberoptisk kabel i Lake Ontario til sensorer, der bedre kan overvåge seismicitet og andre fænomener såsom seiches, bundstrømme eller vandstandsændringer. Tidligere undersøgelser i andre dele af landet har vist potentialet for at bruge eksisterende netværk af fiberoptiske kabler – de samme optiske fibre, som leverer højhastighedsinternet og HD-video til vores hjem – til at studere jordskælv.
• Huang og kolleger vil simulere de yderligere belastninger på jordskælvsforkastninger i Lake Erie-området forårsaget af høje vandstande, såvel som i hvilken grad søvand, der trænger ind i grundfjeldet, kan hjælpe med at smøre disse forkastninger. "Disse to effekter konkurrerer muligvis med hinanden i naturen, og de fysikbaserede simuleringer kan hjælpe os med at bestemme, hvilken effekt der er vigtigst," sagde hun.

Derudover analyserer Huang og hendes team stadig data fra et netværk af otte seismometre, kendt som LEEP-projektet for Lake Erie Earthquake Experiment, som de opererede i det vestlige hjørne af Lake Erie fra oktober 2018 til juli 2021.

De Store Søers Område anses generelt for at være seismisk inaktive, og jordskælv af størrelsesorden 5 eller større er sjældne. Imidlertid forekommer jordskælv med størrelser større end 2 to eller tre gange om året i regionen, hovedsageligt omkring søerne Erie og Ontario. Jordskælv med størrelsesordenen 2,5 til 3 er de mindste, der generelt mærkes af mennesker.

"Vi er ikke sikre på, om fejl i Lake Erie-området kan forårsage ødelæggende eller dødelige jordskælv," sagde Huang, assisterende professor i UM Department of Earth and Environmental Sciences. "Det er derfor, seismologer er interesserede i at studere en jordskælvssekvens af størrelsesorden 4 fra denne region."

Siden begyndelsen af ​​2010'erne har det østlige Ohio set en betydelig stigning i hyppigheden af ​​relativt små jordskælv. Oprindelsen af ​​disse jordskælv er dårligt forstået, men nogle tidligere undersøgelser antydede, at de kan tilskrives spildevandsinjektion og hydrauliske fraktureringsaktiviteter.

Injektionsinduceret seismicitet er også blevet foreslået som udløseren for regionens sidste jordskælv med styrke 5, som fandt sted i januar 1986 i det nordøstlige Ohio, øst for Cleveland i det sydlige Lake County.

I den nye undersøgelse, som dækker perioden fra 2013 til 2020, fandt det U-M-ledede hold en klynge af jordskælv i nærheden af ​​1986-temploren og nær spildevandsboringer, der var i drift i undersøgelsesperioden. De konkluderede, at denne klynge af jordskælv "potentielt kan være forårsaget af bortskaffelse af spildevand."

"Mere spændende er det, at jordskælvet i 1986 også fandt sted i en anden periode med registrerede høje vandstande på tværs af de store søer," skrev forfatterne. "På grund af en stor afstand i forhold til Lake Erie ville det dog være vanskeligt at evaluere virkningen af ​​en sø-induceret stressændring på udløsningen af ​​jordskælvet i 1986."

For at skabe deres nye katalog over 437 jordskælv i Lake Erie-området startede forskerne med 27 tidligere rapporterede jordskælv opført i Advanced National Seismic System Comprehensive Earthquake Catalog, som er kendt som ComCat-kataloget.

Amerikanske seismometernetværk fangede kontinuerlige optagelser af jordbevægelser i regionen i løbet af undersøgelsesperioden. Ved at bruge bølgeformerne produceret af de 27 kendte jordskælv som skabeloner, scannede holdet de kontinuerlige optagelser på jagt efter tidligere uopdagede jordskælv med lignende bølgeformer. Processen kaldes skabelonmatching.

De fleste af jordskælvene i det nye katalog ville ikke være blevet mærket af områdets beboere og kan kun spores af nærliggende seismometre, der er følsomme over for små mængder jordrystelser.

Det nye katalog afslørede 20 til 40 små jordskælv om året i løbet af undersøgelsesperioden, der førte op til begivenheden i juni 2019. En høj seismicitet i 2019 var domineret af efterskælv efter jordskælvet med en styrke på 4,0.

Ud over at kompilere det omfattende nye katalog, var holdet også det første til at kortlægge den fejl, der bristede for at producere 2019-skælvet, som fandt sted i en dybde på omkring 2 kilometer (1,2 miles).