Den jordbävning med magnitud 9,0 i Tohoku-Oki som drabbade Japan den 11 mars 2011 och som dödade mer än 15 000 människor och utlöste en förödande tsunami som landet fortfarande försöker återhämta sig från, väckte en hel del oroväckande frågor. Till exempel, vad gjorde en så kraftig jordbävning möjlig, och skulle det kunna hända igen i Japan eller någon annanstans?
En internationell grupp forskare som borrade flera kilometer under Stilla havet och in i jordbävningsförkastningen har nu svar på dessa frågor, och de rapporterar sina resultat i en trio artiklar som publiceras idag i Science.
Epicentrumet för 2011 års jordbävning låg på en ovanlig plats, cirka 130 kilometer öster om Sendai, Japan, strax utanför landets norra kust. I detta område, en subduktionszon, dyker Stillahavsplattan ner under den eurasiska plattan. Starka jordbävningar är möjliga här, men forskarna hade inte trott att det fanns tillräckligt med energi för att producera en större än magnitud 7,5. De hade fel, och de har varit intresserade av att ta reda på mer om vad som gjorde att förkastningen kunde producera ett så stort skalv.
Epicentrum för 2011 års Tohoku-Oki-jordbävning låg utanför norra Japans östkust. Bild via USGS
Ett drygt år efter jordbävningen fick djuphavsborrningsfartyget Chikyu i uppdrag att borra i förkastningen utanför Japans kust och installera ett temperaturobservatorium. Genom att ta temperaturen i en förkastning efter en jordbävning kan forskarna mäta hur mycket energi som frigjordes i skalvet och beräkna förkastningens friktion – hur lätt stenarna gnider mot varandra.
”Ett sätt att se på friktionen hos dessa stora block är att jämföra dem med längdskidor på snö”, säger Robert Harris, medförfattare till studien och geofysiker vid Oregon State University, i ett uttalande. ”I vila fastnar skidorna i snön och det krävs en viss kraft för att få dem att glida. När du väl gör det genererar skidans rörelse värme och det krävs mycket mindre kraft för att fortsätta rörelsen…. Samma sak händer vid en jordbävning.”
Det var knepigt att få fram den där temperaturmätningen. Chikyu-teamet var tvunget att borra 850 meter ner i havsbotten, som i sin tur låg 6 900 meter under havsytan. De var tvungna att hantera dåligt väder, och själva förskjutningen var fortfarande i rörelse, vilket innebar en risk för instrumenten.
Det svåra arbetet lönade sig dock och avslöjade restvärme från jordbävningen, utifrån vilken forskarna kunde beräkna förskjutningens friktion, som var mycket låg. Slutsats: ”Emily Brodsky, medförfattare till studien och geofysiker vid University of California, Santa Cruz, sade i ett annat uttalande.
Den hala karaktären hos förkastningen bidrar till att förklara vissa egenskaper hos 2011 års skalv. Fördelningen gled 50 meter utan motstycke och brottet, som började djupt under jorden, nådde upp till ytan där det orsakade en plötslig störning i havet och utlöste tsunamin.
Borrningen och laboratorietesterna avslöjade också en annan egenskap hos fördelningen som gjorde den så farlig. Den låga friktionen kan tillskrivas otroligt fina lersediment inom förkastningen. ”Det är den mest hala lera man kan tänka sig”, säger Christie Rowe, medförfattare till studien och geolog vid McGill University, i ett uttalande. ”Om du gnuggar den mellan fingrarna känns det som ett smörjmedel.” För övrigt är området mellan Stillahavsplattan och den eurasiska plattan som upplever glidning också mycket tunt, mindre än fem meter i diameter, vilket skulle göra det till den tunnaste kända förkastningszonen på planeten.
Mätningen av jordbävningens termiska signal var en nyhet för vetenskapen. Det ”var en stor prestation”, sade Harris, ”men det finns fortfarande mycket som vi ännu inte vet”. Forskarna vet till exempel ännu inte hur generaliserbara dessa resultat är för andra subduktionszoner i världen eller vilken effekt förkastningszonernas tunnhet har på jordbävningsriskerna. Borrningsresultaten ”tyder dock på att den grunda megathrustan i Japan Trench har speciella egenskaper som inte ses i många andra subduktionszoner”, skriver Kelin Wang från Natural Resources Canada och Masataka Kinoshita från Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology – den myndighet som driver Chikyu – i en medföljande artikel i Perspectives.
Samma förhållanden kan vara sällsynta, men de finns på vissa platser i norra Stilla havet, till exempel Kamtjatkahalvön i Ryssland och Aleuterna i Alaska, konstaterar Rowe.Djuphavsborrningar visar att dessa regioner har samma vanligtvis hala lera som sänkte friktionen i den japanska förkastningen.
Men det faktum att de ovanliga omständigheterna i den japanska förkastningen kan vara sällsynta bör inte lugna vetenskapsmännen, eller allmänheten, säger Wang och Kinoshita. En sådan enorm, ytlig glidning är inte nödvändig för att en förödande tsunami ska kunna bildas, och det var inte det som orsakade vare sig tsunamin i Chile 2010 som förstörde 370 000 bostäder eller tsunamin i Indiska oceanen 2004 som dödade nästan 230 000 människor. ”Det är svårt att säga hur generaliserbara dessa resultat är förrän vi tittar på andra förkastningar”, tillade Brodsky. ”Men detta lägger grunden för en bättre förståelse av jordbävningar och, i slutändan, en bättre förmåga att identifiera jordbävningsrisker.”
Den Tohoku-Oki-jordbävning med magnitud 9,0 som drabbade Japan den 11 mars 2011 och som dödade mer än 15 000 människor och utlöste en förödande tsunami som landet fortfarande arbetar för att återhämta sig från, väckte många oroväckande frågor. Vad gjorde till exempel en så kraftig jordbävning möjlig, och skulle det kunna hända igen i Japan eller någon annanstans? En internationell grupp forskare som borrat flera kilometer under Stilla havet och in i jordbävningsbrottet har nu svar på dessa frågor, och de redovisar sina resultat i en trio artiklar som publiceras idag i Science. Epicentrum för 2011 års skalv låg på en ovanlig plats, cirka 130 kilometer öster om Sendai i Japan, strax utanför landets norra kust. I detta område, en subduktionszon, dyker Stillahavsplattan ner under den eurasiska plattan. Starka jordbävningar är möjliga här, men forskarna hade inte trott att det fanns tillräckligt med energi för att producera en större än magnitud 7,5. De hade fel, och de har varit intresserade av att ta reda på mer om vad som gjorde att förkastningen kunde ge upphov till ett så stort skalv. Epicentrum för Tohoku-Oki-jordbävningen 2011 låg utanför norra Japans östkust. Bild via USGS Drygt ett år efter jordbävningen fick djuphavsborrningsfartyget Chikyu i uppdrag att borra i förkastningen utanför Japans kust och installera ett temperaturobservatorium. Genom att ta temperaturen i en förkastning efter en jordbävning kan forskarna mäta hur mycket energi som frigjordes i skalvet och beräkna förkastningens friktion – hur lätt stenarna gnider mot varandra. ”Ett sätt att se på friktionen hos dessa stora block är att jämföra dem med längdskidor på snö”, säger Robert Harris, medförfattare till studien och geofysiker vid Oregon State University, i ett uttalande. ”I vila fastnar skidorna i snön och det krävs en viss kraft för att få dem att glida. När du väl gör det genererar skidans rörelse värme och det krävs mycket mindre kraft för att fortsätta rörelsen…. Samma sak händer vid en jordbävning.” Det var knepigt att få fram temperaturmätningen. Chikyu-teamet var tvunget att borra 850 meter ner i havsbotten, som i sin tur låg 6 900 meter under havsytan. De var tvungna att hantera dåligt väder, och själva förkastningen var fortfarande i rörelse, vilket innebar en risk för instrumenten. Det svåra arbetet lönade sig dock och avslöjade restvärme från jordbävningen, utifrån vilken forskarna kunde beräkna förkastningens friktion, som var mycket låg. Bottom line: ”Tohoku-förkastningen är halare än vad någon hade förväntat sig”, säger Emily Brodsky, medförfattare till studien och geofysiker vid University of California, Santa Cruz, i ett annat uttalande. Förkastningens glidande natur bidrar till att förklara vissa egenskaper hos 2011 års skalv. Förkastningen gled 50 meter utan motstycke och brottet, som började djupt under jord, nådde upp till ytan där det orsakade en plötslig störning i havet och utlöste tsunamin. Borrningarna och laboratorietesterna avslöjade också en annan egenskap hos förkastningen som gjorde den så farlig. Den låga friktionen kan tillskrivas otroligt fina lersediment inom förkastningen. ”Det är den mest hala lera man kan tänka sig”, säger Christie Rowe, medförfattare till studien och geolog vid McGill University, i ett uttalande. ”Om du gnuggar den mellan fingrarna känns det som ett smörjmedel.” För övrigt är området mellan Stillahavsplattan och den eurasiska plattan som upplever glidning också mycket tunt, mindre än fem meter i diameter, vilket skulle göra det till den tunnaste kända förkastningszonen på planeten. Att mäta jordbävningens termiska signal var en nyhet för vetenskapen. Det ”var en stor prestation”, sade Harris, ”men det finns fortfarande mycket vi inte vet ännu”. Forskarna vet till exempel ännu inte hur generaliserbara dessa resultat är för andra subduktionszoner i världen eller vilken effekt förkastningszonernas tunnhet har på jordbävningsriskerna. Borrningsresultaten ”tyder dock på att den grunda megathrustan i Japan Trench har speciella egenskaper som inte ses i många andra subduktionszoner”, skriver Kelin Wang från Natural Resources Canada och Masataka Kinoshita från Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology – den myndighet som driver Chikyu – i en medföljande artikel i Perspectives. Liknande förhållanden kan vara sällsynta, men de finns på vissa platser i norra Stilla havet, t.ex. på Kamtjatkahalvön i Ryssland och Aleuterna i Alaska, påpekar Rowe. djuphavsborrningar visar att dessa regioner har samma vanligtvis hala lera som sänkte friktionen i Japanförkastningen. Men det faktum att de ovanliga omständigheterna i Japanförkastningen kan vara sällsynta bör inte lugna forskarna, eller allmänheten, menar Wang och Kinoshita. En sådan enorm, ytlig glidning är inte nödvändig för att en förödande tsunami ska kunna bildas, och det var inte det som orsakade vare sig tsunamin i Chile 2010 som förstörde 370 000 bostäder eller tsunamin i Indiska oceanen 2004 som dödade nästan 230 000 människor. ”Det är svårt att säga hur generaliserbara dessa resultat är förrän vi tittar på andra förkastningar”, tillade Brodsky. ”Men detta lägger grunden för en bättre förståelse av jordbävningar och, i slutändan, en bättre förmåga att identifiera jordbävningsrisker.”