De aardbeving met een kracht van 9,0 op 11 maart 2011 in Tohoku-Oki, die meer dan 15.000 mensen het leven kostte en een verwoestende tsunami veroorzaakte waarvan het land nog steeds probeert te herstellen, bracht veel verontrustende vragen met zich mee. Wat maakte bijvoorbeeld zo’n krachtige aardbeving mogelijk, en zou het opnieuw kunnen gebeuren in Japan of ergens anders?
Een internationale groep wetenschappers die kilometers onder de Stille Oceaan en in de aardbevingsbreuk heeft geboord, heeft nu antwoorden op deze vragen, en zij rapporteren hun bevindingen in een drietal papers die vandaag in Science zijn gepubliceerd.
Het epicentrum van de beving van 2011 bevond zich op een ongebruikelijke plek, ongeveer 130 kilometer ten oosten van Sendai, Japan, net voor de noordkust van die natie. In dit gebied, een subductiezone, duikt de Pacifische plaat onder de Euraziatische plaat. Sterke aardbevingen zijn hier mogelijk, maar wetenschappers hadden niet gedacht dat er genoeg energie was om een aardbeving van meer dan magnitude 7,5 te veroorzaken. Ze hadden het mis, en ze zijn geïnteresseerd om meer te weten te komen over wat de breuk in staat heeft gesteld om zo’n grote beving te produceren.
Het epicentrum van de Tohoku-Oki-aardbeving van 2011 lag voor de oostkust van Noord-Japan. Afbeelding via USGS
Iets meer dan een jaar na de aardbeving kreeg het diepzeeboorschip Chikyu de opdracht om in de breuk voor de Japanse kust te boren en een temperatuurobservatorium te installeren. Door na een aardbeving de temperatuur van een breuk te meten, kunnen wetenschappers meten hoeveel energie er bij de beving is vrijgekomen en de wrijving van een breuk berekenen – hoe gemakkelijk de rotsen tegen elkaar wrijven.
“Eén manier om naar de wrijving van deze grote blokken te kijken, is ze te vergelijken met langlaufski’s op sneeuw,” zei Robert Harris, co-auteur van de studie en geofysicus aan de Oregon State University, in een verklaring. “In rust blijven de ski’s aan de sneeuw kleven en er is een bepaalde kracht nodig om ze te laten glijden. Zodra je dat doet, genereert de beweging van de ski’s warmte en is er veel minder kracht nodig om de beweging voort te zetten…. Hetzelfde gebeurt bij een aardbeving.”
Het meten van de temperatuur was lastig. Het Chikyu-team moest 850 meter in de zeebodem boren, die zelf 6.900 meter onder het oppervlak van de oceaan lag. Ze hadden te maken met slecht weer, en de breuk zelf was nog steeds aan het verschuiven, waardoor de instrumenten gevaar liepen.
Het moeilijke werk loonde echter de moeite: er kwam restwarmte van de aardbeving aan het licht, aan de hand waarvan de wetenschappers de wrijving van de breuk konden berekenen, die zeer laag was. Conclusie: “De Tohoku-breuk is gladder dan iedereen had verwacht,” zei Emily Brodsky, een co-auteur van de studie en geofysicus aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, in een andere verklaring.
De gladde aard van de breuk helpt enkele kenmerken van de beving van 2011 te verklaren. De breuk gleed een ongekende 50 meter en de breuk, die diep onder de grond begon, bereikte de oppervlakte waar het een plotselinge verstoring in de oceaan veroorzaakte en de tsunami in gang zette.
De boringen en laboratoriumtests onthulden ook een ander kenmerk van de breuk dat het zo gevaarlijk maakte. De lage wrijving kan worden toegeschreven aan ongelooflijk fijne kleisedimenten binnen de breuk. “Het is de glibberigste klei die je je kunt voorstellen,” zei Christie Rowe, een co-auteur van de studie en geoloog aan de McGill University, in een verklaring. “Als je het tussen je vingers wrijft, voelt het aan als een smeermiddel. Overigens is het gebied tussen de Pacifische en Euraziatische platen dat slip ervaart ook erg dun, minder dan vijf meter in doorsnee, wat het de dunste bekende breukzone op de planeet zou maken.
Het meten van het thermische signaal van de aardbeving was een primeur voor de wetenschap. Het “was een belangrijke prestatie,” zei Harris, “maar er is nog veel dat we nog niet weten.” Onderzoekers weten bijvoorbeeld nog niet hoe generaliseerbaar deze resultaten zijn naar andere subductiezones over de hele wereld of welk effect de dunheid van breukzones heeft op het gevaar van aardbevingen. Niettemin suggereren de boorresultaten “dat de ondiepe megathrust in de Japanse geul speciale kenmerken heeft die in veel andere subductiezones niet worden gezien,” schreven Kelin Wang van Natural Resources Canada en Masataka Kinoshita van het Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology – het agentschap dat de Chikyu beheert – in een begeleidend artikel in Perspectives.
Dergelijke omstandigheden zijn misschien zeldzaam, maar ze bestaan wel op sommige plaatsen in het noorden van de Stille Oceaan, zoals het schiereiland Kamchatka in Rusland en de Aleoeteneilanden in Alaska, merkt Rowe op.Diepzeeboringen tonen aan dat deze regio’s dezelfde meestal gladde klei hebben die de wrijving in de Japanse breuk verlaagde.
Maar het feit dat de ongewone omstandigheden van de Japanse breuk zeldzaam zijn, moet wetenschappers, of het publiek, niet op hun gemak stellen, zeggen Wang en Kinoshita. Zo’n enorme, ondiepe slip is niet nodig om een verwoestende tsunami te vormen, en het was niet wat de tsunami van 2010 Chili veroorzaakte die 370.000 huizen verwoestte of de tsunami van 2004 in de Indische Oceaan die bijna 230.000 mensen doodde. “Het is moeilijk te zeggen hoe generaliseerbaar deze resultaten zijn totdat we naar andere breuken kijken,” voegde Brodsky eraan toe. “Maar dit legt de basis voor een beter begrip van aardbevingen en, uiteindelijk, een beter vermogen om aardbevingsgevaren te identificeren.”
De aardbeving met een kracht van 9,0 op 11 maart 2011 in Tohoku-Oki, waarbij meer dan 15.000 mensen omkwamen en een verwoestende tsunami ontstond waarvan het land nog steeds aan het herstellen is, heeft heel wat verontrustende vragen opgeworpen. Wat maakte bijvoorbeeld zo’n krachtige aardbeving mogelijk, en kan het opnieuw gebeuren in Japan of ergens anders? Een internationale groep wetenschappers die kilometers onder de Stille Oceaan en in de aardbevingsbreuk heeft geboord, heeft nu antwoorden op deze vragen, en zij rapporteren hun bevindingen in een drietal papers die vandaag in Science zijn gepubliceerd. Het epicentrum van de beving van 2011 bevond zich op een ongebruikelijke plaats, ongeveer 130 kilometer ten oosten van Sendai, Japan, net voor de noordkust van dat land. In dit gebied, een subductiezone, duikt de Pacifische plaat onder de Euraziatische plaat. Sterke aardbevingen zijn hier mogelijk, maar wetenschappers hadden niet gedacht dat er genoeg energie was om een aardbeving van meer dan magnitude 7,5 te veroorzaken. Ze hadden het mis en wilden meer te weten komen over wat de breuk in staat heeft gesteld om zo’n grote beving te veroorzaken. Het epicentrum van de Tohoku-Oki aardbeving van 2011 bevond zich voor de oostkust van Noord-Japan. Afbeelding via USGS Iets meer dan een jaar na de aardbeving kreeg het diepzeeboorschip Chikyu de opdracht om in de breuk voor de Japanse kust te boren en een temperatuurobservatorium te installeren. Door na een aardbeving de temperatuur van een breuk op te nemen, kunnen wetenschappers meten hoeveel energie bij de beving is vrijgekomen en de wrijving van een breuk berekenen – hoe gemakkelijk de rotsen tegen elkaar wrijven. “Eén manier om naar de wrijving van deze grote blokken te kijken is door ze te vergelijken met langlaufski’s op sneeuw,” zei Robert Harris, co-auteur van de studie en geofysicus aan de Oregon State University, in een verklaring. “In rust blijven de ski’s aan de sneeuw kleven en er is een bepaalde kracht nodig om ze te laten glijden. Zodra je dat doet, genereert de beweging van de ski’s warmte en is er veel minder kracht nodig om de beweging voort te zetten…. Hetzelfde gebeurt bij een aardbeving.” Het meten van de temperatuur was een lastige klus. Het Chikyu-team moest 850 meter in de zeebodem boren, die zelf 6.900 meter onder het oceaanoppervlak lag. Ze hadden te kampen met slecht weer, en de breuk zelf was nog steeds aan het verschuiven, waardoor de instrumenten gevaar liepen. Het moeilijke werk loonde echter de moeite: er kwam restwarmte van de aardbeving aan het licht, aan de hand waarvan de wetenschappers de wrijving van de breuk konden berekenen, die zeer laag was. Conclusie: “De Tohoku-breuk is gladder dan iedereen had verwacht,” zei Emily Brodsky, een co-auteur van de studie en geofysicus aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, in een andere verklaring. De gladde aard van de breuk helpt een aantal kenmerken van de beving van 2011 te verklaren. De breuk, die diep onder de grond begon, bereikte de oppervlakte waar hij een plotselinge verstoring in de oceaan veroorzaakte en de tsunami deed ontstaan. De boringen en laboratoriumtests brachten ook een andere eigenschap van de breuk aan het licht die hem zo gevaarlijk maakte. De lage wrijving kan worden toegeschreven aan het ongelooflijk fijne kleisediment binnen de breuk. “Het is de gladste klei die je je kunt voorstellen,” zei Christie Rowe, een co-auteur van het onderzoek en geoloog aan de McGill University, in een verklaring. “Als je het tussen je vingers wrijft, voelt het aan als een smeermiddel. Overigens is het gebied tussen de Pacifische en de Euraziatische platen dat slip ervaart ook erg dun, minder dan vijf meter in doorsnee, wat het de dunste bekende breukzone op de planeet zou maken. Het meten van het thermische signaal van de aardbeving was een primeur voor de wetenschap. Het was een grote prestatie,” zei Harris, “maar er is nog veel dat we nog niet weten. Onderzoekers weten bijvoorbeeld nog niet hoe generaliseerbaar deze resultaten zijn naar andere subductiezones over de hele wereld of welk effect de dunheid van breukzones heeft op het gevaar van aardbevingen. Niettemin suggereren de boorresultaten “dat de ondiepe megathrust in de Japanse geul speciale eigenschappen heeft die in veel andere subductiezones niet voorkomen”, schrijven Kelin Wang van Natural Resources Canada en Masataka Kinoshita van het Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology – het agentschap dat de Chikyu beheert – in een begeleidend artikel in Perspectives. Vergelijkbare omstandigheden zijn misschien zeldzaam, maar ze bestaan wel op sommige plaatsen in het noordelijk deel van de Stille Oceaan, zoals het Kamchatka schiereiland in Rusland en de Aleoeten eilanden in Alaska, merkt Rowe op.Diepzeeboringen tonen aan dat deze regio’s dezelfde meestal gladde klei hebben die de wrijving in de Japan breuk heeft verlaagd. Maar het feit dat de ongewone omstandigheden van de Japanse breuk misschien zeldzaam zijn, moet wetenschappers, of het publiek, niet geruststellen, zeggen Wang en Kinoshita. Zo’n enorme, ondiepe slip is niet nodig voor de vorming van een verwoestende tsunami, en het was ook niet de oorzaak van de tsunami in Chili in 2010, die 370.000 huizen verwoestte, of van de tsunami in de Indische Oceaan in 2004, waarbij bijna 230.000 mensen omkwamen. “Het is moeilijk te zeggen hoe generaliseerbaar deze resultaten zijn totdat we naar andere breuken kijken,” voegde Brodsky eraan toe. “Maar dit legt de basis voor een beter begrip van aardbevingen en, uiteindelijk, een beter vermogen om aardbevingsgevaren te identificeren.”