Als je je handen tegen elkaar wrijft om ze te verwarmen, de wrijving zorgt voor warmte. Hetzelfde gebeurt tijdens aardbevingen, alleen op veel grotere schaal:wanneer een fout wegglijdt, de temperatuur kan honderden graden stijgen, hoog genoeg om organische verbindingen in de rotsen te veranderen en een handtekening achter te laten. Een team van wetenschappers van het Lamont-Doherty Earth Observatory van Columbia University heeft methoden ontwikkeld om die organische handtekeningen te gebruiken om eerdere aardbevingen te reconstrueren en te onderzoeken waar die aardbevingen begonnen en stopten en hoe ze zich door de breukzone bewogen. De informatie zou wetenschappers uiteindelijk kunnen helpen beter te begrijpen wat aardbevingen beheerst.

Lamont-geofysicus Heather Savage en geochemicus Pratigya Polissar begonnen ongeveer acht jaar geleden met het ontwikkelen van de methoden. voortbouwend op technieken die door de olie-industrie worden gebruikt. Hun unieke combinatie van twee velden - gesteentemechanica en organische geochemie - maakte innovaties mogelijk die de manier waarop we naar aardbevingen kijken veranderen.

Het proces begint in het veld, langs een breuklijn waar wetenschappers monsters afbreken of boren vanuit de breukzone. Wanneer sedimenten in een breukzone worden verwarmd door de wrijving van een aardbeving, die korte maar krachtige uitbarsting van hitte verandert de chemische samenstelling van organisch materiaal in de rots. (Hetzelfde proces gedurende lange perioden creëert olie en gas.) Wetenschappers kunnen de organische verbindingen in die monsters onderzoeken en de verhouding van stabiele moleculen tot onstabiele moleculen vergelijken om hun thermische rijpheid te meten en te bepalen hoe heet elk monster werd.

"Als zelfs een kleine structuur in een breuk een aardbeving heeft gehad, we kunnen het verschil zien tussen hoe heet dat stuk van de fout werd en alles daarbuiten, "Zei Savage. "Wat we willen uitzoeken is waar de aardbevingen in deze grote breukzone daadwerkelijk plaatsvonden. Gebeuren ze allemaal aan één kant? Zijn de verspreid over? Zijn ze allemaal geclusterd op het zwakste materiaal binnen de breukzone?"

"Wat dit doet, is ons een beeld geven, bijna als een hittekaart, van de fout zelf, en de heetste plaatsen zijn waar de aardbevingen plaatsvonden, ' zei Savage.

Als de temperatuur hoog genoeg is, steen kan smelten, het creëren van glasachtige pseudotachylyten. Geologen gebruiken deze gesmolten rotsresten al enkele jaren, maar ze vinden is zeldzaam.

Wild, Polissar, en hun team kijken dichterbij, tot op moleculair niveau, waar ze de thermische rijpheid van veel voorkomende organische verbindingen kunnen meten om te bepalen hoe heet het monster werd. Ze testen vaak op methylfenantrenen, organische moleculen die vrij vaak voorkomen in breuken in sedimentaire gesteenten tussen 1 en 5 kilometer onder de grond. Bij diepere fouten, zo'n 10-14 kilometer naar beneden, de wetenschappers kunnen diamantoïden zoeken, die behoren tot de meest thermisch stabiele organische verbindingen.

Om hun moleculaire gegevens in context te plaatsen, de wetenschappers moeten ook begrijpen hoe rotsen in de breuk reageren op hitte en druk. In Lamont's Rock and Ice Mechanics Lab, Het team van Savage kan gesteentemonsters testen onder een breed scala aan hoge drukken en temperaturen. Uit hun experimenten, ze kunnen modellen ontwikkelen die laten zien hoeveel schuifspanning en verplaatsing nodig zijn om specifieke niveaus van warmte te genereren in specifieke soorten gesteente, en hoe die warmte door diffusie zal vergaan.

Met behulp van deze modellen, de wetenschappers kunnen dan kijken naar de geochemische analyse van hun monsters, bepalen aan welke temperaturen de verbindingen in het verleden zijn blootgesteld, en schat de wrijving van de aardbeving en hoe ver de fout gleed.

Bijvoorbeeld, toen het team monsters testte van de Pasagshak Point-megathrust op het Kodiak-eiland in Alaska, ze maten de verhouding van thermisch stabiele diamandoïden tot thermisch onstabiele alkanen en bepaalden dat de temperatuur tijdens een aardbeving in het verleden tussen 840 ° C en 1170 ° C boven de normale temperatuur van de omringende rots zou zijn gestegen. Van die temperatuurstijging, ze konden schatten dat de wrijvingsenergie van de aardbeving 105-227 megajoule per vierkante meter zou zijn geweest, waarschijnlijk een aardbeving met een kracht van 7 of 8 op de schaal van Richter. Met behulp van hun experimentele wrijvingsmetingen, ze konden dan inschatten dat de fout 1-8 meter moest zijn afgegleden.

Op de American Geophysical Union Fall Meeting vandaag in San Francisco, Geneviève Coffey, een afgestudeerde student in Savage's team in Lamont, presenteerde vroege resultaten van hun tests met de hoogste dichtheid tot nu toe, waarbij monsters zijn genomen in transecten langs de Muddy Mountain-stuwkracht in Nevada. Een verrassing was dat de plaatsen waar je hoge temperaturen zou verwachten vanwege de lokale structuren in de rots niet noodzakelijkerwijs de locaties waren waar ze het vonden, zei Coffey. "Structurele variabiliteit langs een fout geeft niet noodzakelijk aan dat er slip is opgetreden langs die sectie, " ze zei.

Savage's team werkt aan soortgelijke experimenten bij de San Andreas-breuk, en de Japanse loopgraaf waar de aardbeving in Tōhoku begon, en ze werken met collega's aan technieken om de aardbevingen te dateren.

"De belangrijke stap voor ons is om te bepalen hoe elk van die verbindingen reageert op tijd en temperatuur, "Zei Savage. "Dat gaat ons vertellen over de fysica van de aardbevingen in die breuk, die op de lange termijn zou kunnen leiden tot een beter begrip van de gevaren van aardbevingen."