Støvede arkiver inspirerer til ny historie om Charleston-jordskælvet i 1886

Sidst den 31. august 1886, mens mange mennesker sov, rystede et stort jordskælv Charleston, South Carolina og den omkringliggende region, væltede bygninger, knækkede jernbaneskinner og fik sand til at "koge" eller boble fra væskedannelse. Da rystelsen stoppede, var cirka 2.000 strukturer beskadiget, og mindst 60 mennesker havde mistet livet.

Charleston-jordskælvet i 1886 var et af de kraftigste jordskælv, der ramte det østlige USA, med rystelser så langt væk som Boston, Chicago og New Orleans. Fra 1670, hvor europæerne først slog sig ned i Charleston, indtil da, oplevede regionen kun lejlighedsvis mindre seismisk aktivitet.

Mens efterskælvene raslede i regionen, løb geologer og ingeniører ind i marken og noterede detaljerede noter og tog billeder af skaderne. Deres observationer fangede jordforstyrrelser i imponerende detaljer, men forskerne forstod endnu ikke fuldt ud forholdet mellem jordskælv og fejl, så de var ikke i stand til at sammensætte hele historien.

"Timingen af ​​Charleston-jordskælvet var unik," sagde Susan Hough, en seismolog ved United States Geological Survey (USGS). "Hvis det var sket 75 år tidligere, ville vi have haft færre forskere uddannet og i stand til at komme i gang. Hvis det var sket ti år senere, ville seismogrammer sandsynligvis have registreret rysten."

Over et århundrede efter jordskælvet tog Hough og CIRES-stipendiat Roger Bilham, en forsker ved CU Boulder, sporet op og byggede på de originale optegnelser og nyere forsøg på at samle historien om det dødelige jordskælv.

"Selvom et dusin mulige fejl var blevet identificeret under sumpene omkring Charleston, forblev den faktiske fejl, der brød i jordskælvet, et mysterium," sagde Bilham.

Holdets søgen gennem historiske dokumenter førte til spændende nye opdagelser om Charleston-jordskælvet – fra den fejl, der kan være ansvarlig til størrelsen og deformationen på jorden.

Deres arbejde, udgivet i en serie på fire artikler i 2023 og 2024, giver et eksempel på, hvordan videnskabsmænd kan bruge historiske dokumenter til at skrælle lagene af andre geologiske mysterier tilbage. Og i det indre af kontinentalplader, hvor seismisk aktivitet er mindre hyppig, kan arbejdet hjælpe samfund med bedre at vurdere deres risiko for fremtidige jordskælv.

Feltbevis afslører fejl

Hough og Bilham startede deres undersøgelse af Charleston-jordskælvet ved at grave dybt ned i de skriftlige beretninger om begivenheden, inklusive dem af Earle Sloan, en mineingeniør, der tog omhyggelige noter og målinger af skaderne på tre jernbaner, der udstrålede fra Charleston. De havde mistanke om, at begravet i Sloans noter var spor, der kunne hjælpe dem med at identificere fejlen, der var ansvarlig for jordskælvet.

Men der var et par forhindringer, de skulle over først.

"At konvertere tallene til en overbevisende historie viste sig at være et mareridt," forklarede Bilham. "Noterne fra 1886 indeholdt utilsigtet indtastningsfejl og tastefejl, der flyttede spændernes positioner vilkårligt her og der."

I 2022 rejste holdet til Charleston i håb om at løse forvirringen. De nulstillede en sektion af jernbanesporet i Summerville, hvor der var blevet rapporteret om alvorlige sporforstyrrelser i 1886. Bilham foreslog, at de brugte GPS-metoder til at fastslå placeringen af ​​observationer, som Sloan havde talt ved hjælp af jernbanemilepæle.

Til deres store overraskelse identificerede forskerne en 4,5 meter (14,8 fod) forskydning til højre i, hvad der skulle være en lige linje mile af sporet. Først kunne forskerne ikke tro størrelsen af ​​forskydningen, men ved en nærmere læsning af Sloans noter opdagede de, at han også havde beskrevet en forskydning på samme sted. Forskydningen betød sandsynligvis, at en fejl under sporene var flyttet. Moderne geologer havde identificeret Summerville-forkastningen på det sted, men ingen havde knyttet den til jordskælvet i 1886.

"Det var et øjeblik af serendipity, der åbnede en helt ny dimension til projektet," sagde Hough.

Da de så på historiske kort over området, fandt Bilham og Hough også ud af, at Summerville så ud til at være steget 1 meter (3,3 fod) efter jordskælvet, hvorimod kajen ved det nærliggende Fort Dorchester var forblevet uforstyrret siden deres konstruktion i det 17. århundrede. Resultaterne bekræftede, at noget betydningsfuldt var sket nær Summerville i 1886.

En ny model til at identificere den skyldige

For at identificere den forkastning, der var ansvarlig for jordskælvet i Charleston i 1886, byggede forskerne en matematisk brudmodel for bevægelse på Summerville-forkastningen, der kunne forklare både de arkæologiske og geologiske beviser, herunder den rigtige forskydning i jernbanesporene og hævningen i Summerville.

Bilham og Hough fandt ud af, at bevægelse langs en Summerville-forkastning, der falder i vest, kunne forklare, hvorfor byen ligger højere end de omkringliggende sumpe. Modellen pegede på en styrke på 7,3, hvilket stemmer overens med jordskælvets store "følte" område og tidligere skøn. De offentliggjorde deres resultater i The Seismic Record i 2023.

"Det viser sig, at du kan sætte stykkerne sammen for at identificere den fejl, der forårsagede jordskælvet, og komme med en detaljeret model for, hvordan fejlen brød," sagde Hough. "Det var første gang nogen havde gjort det for jordskælvet i Charleston."

Efter at have identificeret den potentielle skyldige, flyttede Hough og Bilham deres opmærksomhed tilbage til påvirkningerne på jorden. Ved hjælp af fejlplaceringen simulerede de, hvordan rysten kunne have været på forskellige steder og sammenlignede resultaterne med observationer fra de gamle optegnelser. Sammenligningen, som blev offentliggjort i Bulletin of the Seismological Society of America i januar 2024, støtter deres foreslåede størrelsesorden 7,3.

Deformerede spor bevarer seismiske bølger

Bilham fortsatte med at grave i de historiske dokumenter for at finde ud af, hvorfor jernbanespor 20 miles fra Summerville var blevet spændt og revet fra hinanden.

"Det var et monumentalt foretagende," sagde Hough. "Det var, som om Sloan havde givet faklen gennem tiderne til Roger."

Et gammelt fotografi, taget dagen efter jordskælvet i Charleston, viste, hvad der så ud til at være en forskydning af jernbanesporet, hvor det krydsede en lavtliggende sump. Mange videnskabsmænd brugte billedet til at udlede fejl i området.

Forskerne konstruerede en virtuel 3D-visning af den deformerede jernbanesporing ved hjælp af præcise målinger af tusind punkter i det originale foto, som havde overlevet i Charleston Museums arkiver. Arbejdet førte til endnu en forbløffende erkendelse - de spændte spor omkring Charleston havde samlet registreret sammentrækningen og komprimeringen af ​​seismiske bølger, der rasede fra jordskælvets epicenter.

"Vi var i stand til at vise, at der opstod spænder overalt, at ledningen var blevet komprimeret mere end tilladt af dens ekspansionssamlinger, og at ledningen var delt, hvor ekspansionsboltene var knækket," sagde Bilham.

Værket blev også offentliggjort i Bulletin of the Seismological Society of America .

Det større billede

Hough og Bilhams indsats viser, at selv efter 137 år kan forskere stadig lære nye ting om Charleston-jordskælvet og bidrage til den bredere forståelse af seismisk aktivitet i regionen.

"Charleston er en mursten i væggen," sagde Hough. "Nu forstår vi én begivenhed på ét sted, men der er masser af arbejde endnu at gøre for at sammensætte det større billede."

Intraplate jordskælv som det i Charleston adskiller sig fra deres modstykker, som opstår, hvor store stykker af jordskorpen gnider mod hinanden. Der er ikke et enkelt mønster til at forklare, hvorfor de opstår, og ofte kræver hver begivenhed en unik undersøgelse. Men Hough håber, at deres arbejde vil inspirere videnskabsmænd til at se dybere ind i fortiden og fremtiden.

"Der er en tendens til at antage, at al viden er på internettet og let tilgængelig," sagde Hough. "Vores indsats bekræfter, hvor meget værdi der kan være i at overveje de støvede originale datakilder."

Flere oplysninger: Roger Bilham et al., Static and Dynamic Strain in the 1886 Charleston, South Carolina, Earthquake, Bulletin of the Seismological Society of America (2024). DOI:10.1785/0120240025

Susan E. Hough et al., The 1886 Charleston, South Carolina, Earthquake:Intensities and Ground Motions, Bulletin of the Seismological Society of America (2024). DOI:10.1785/0120230224

Roger Bilham et al., Jordskælvet i Charleston, South Carolina, 1886:Relic Railroad Offset Reveals Rupture, The Seismic Record (2023). DOI:10.1785/0320230022

Journaloplysninger: Bulletin fra Seismological Society of America

Leveret af University of Colorado at Boulder