De aardbeving in Tohoku-Oki van 11 maart 2011 was de grootste en meest verwoestende in de geschiedenis van Japan. Japanse onderzoekers - en hun Noorse partners - zijn hard aan het werk om te begrijpen wat het zo verwoestend maakte.

De enorme aardbeving die Japan op 11 maart 2011 op zijn kop zette, kostte meer dan 20 mensen het leven. 000 mensen, waardoor het een van de meest dodelijke natuurrampen in de geschiedenis van het land is. Vrijwel alle slachtoffers verdronken in een tsunami die op sommige plaatsen meer dan 30 meter hoog was.

De tsunami heeft ook de kerncentrale van Fukushima Daiichi verlamd, het veroorzaken van meltdowns in drie van de zes reactoren van de fabriek en het vrijgeven van recordhoeveelheden straling aan de oceaan. De reactoren waren op een gegeven moment zo onstabiel dat de voormalige premier, Naoto Kan, gaf later toe dat hij overwoog 50 miljoen mensen uit de grotere regio van Tokio te evacueren. Eventueel, 160, 000 mensen moesten hun huis verlaten vanwege straling.

Deze nationale ramp, Japans grootste aardbeving ooit, was een oproep tot actie voor Japanse aardwetenschappers. Hun missie:precies begrijpen wat er is gebeurd om deze aardbeving zo verwoestend te maken. Voor deze, ze wendden zich tot JAMSTEC, het Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology om de geheimen in de 7000 meter diepe Japanse Trench te onderzoeken, het epicentrum van de temblor.

In de vijf jaar sinds de ramp, onderzoekers hebben intrigerende aanwijzingen gevonden over wat de aardbeving zo gevaarlijk maakte. Noorse petroleumexpertise van het werken op het Noorse continentale plat helpt nu nieuwe details te ontdekken, terwijl wetenschappers blijven proberen te begrijpen welke factoren bijdragen aan het echt groot maken van een aardbeving in deze regio. Daarbij, ze hopen de omvang en locatie van toekomstige aardbevingen en tsunami's beter te kunnen voorspellen.

Een wirwar van tektonische platen

Japan zit op wat misschien wel een van de gevaarlijkste plaatsen is die mogelijk is als het gaat om aardbevingen. Het noordelijke deel van het land ligt op een stuk van de Noord-Amerikaanse plaat, terwijl het zuidelijke deel van het land op de Euraziatische plaat ligt. In het noorden, de Pacifische plaat schuift onder de Noord-Amerikaanse plaat, terwijl naar het zuiden, de Euraziatische plaat rijdt over de Filippijnse Zeeplaat. Als de ene plaat ten opzichte van de andere beweegt, de beweging kan een aardbeving en tsunami veroorzaken.

De complexe wirwar van tektonische platen verklaart waarom ruwweg 1, 500 aardbevingen rammelen elk jaar het land, en waarom het de thuisbasis is van 40 actieve vulkanen - 10 procent van het wereldtotaal.

Aangezien Japan zoveel aardbevingen meemaakt, de aardbeving die het land in de middag van 11 maart schokte, kwam niet geheel onverwacht. In feite, onderzoekers voorspelden dat de regio de komende 30 jaar een aardbeving met een kracht van 7,5 of meer zou meemaken.

Aardbevingen zijn routine genoeg in Japan dat het land strikte bouwvoorschriften heeft om schade te voorkomen. De meeste grote gebouwen kronkelen en zwaaien met het schudden van de aarde - een man in Tokio vertelde de BBC dat de bewegingen in zijn wolkenkrabber op de werkplek tijdens de aardbeving van 2011 zo sterk waren dat hij zeeziek werd - en zelfs de kerncentrale van Fukushima Daiichi werd beschermd door 10 meter hoge zeewering.

Maar een combinatie van factoren maakte de aardbeving in Tohoku-Oki groter en met een dodelijker tsunami dan wetenschappers hadden verwacht. Maar wat?

"Dit is wat we willen begrijpen - en verminderen, " zegt Shin'ichi Kuramoto, Directeur-generaal van het Center for Deep Earth Exploration bij JAMSTEC. "Waarom vinden deze grote aardbevingen plaats?"

Een hele grote slip

JAMSTEC-onderzoekers mobiliseerden vrijwel onmiddellijk na de ramp, en stuurden hun 106 meter lange onderzoeksschip RV Kairei naar het epicentrum van de aardbeving, slechts een paar dagen nadat deze plaatsvond.

Iets meer dan twee weken, het schip kruiste over de Japan Trench voor de kust van Honshu. Het doel was om een ​​bathymetrisch beeld van de zeebodem te maken en seismische reflectiegegevens te verzamelen, waarmee onderzoekers in de sedimenten en rotsen onder de zeebodem kunnen kijken.

Een volgende cruise door JAMSTEC's RV Kaiyo, 7-8 maanden na de aardbeving, verzamelde aanvullende seismische reflectiebeelden met hoge resolutie in het gebied. Gelukkig, de onderzoekers hadden ook gegevens van een soortgelijk onderzoek dat in 1999 in dezelfde regio was gedaan.

De gegevens toonden aan dat de landwaartse zeebodem in het greppelgebied tot wel 50 meter horizontaal wegglipte, zei Yasuyuki Nakamura, Plaatsvervangend groepsleider in JAMSTEC's Center for Earthquake and Tsunami Structural Seismology Group.

"Dit was een grote slip in het gebied van de loopgraafas, "zei hij. "Ter vergelijking, de aardbeving van Kobe in 1995, die meer dan 6000 mensen doodde en een kracht van 7,3 had, had een gemiddelde slip van 2 meter."

Een andere aardbeving met een kracht van 8 op de schaal van Richter in 1946 in het Nankai-gebied in het zuiden van Japan, waarbij 36, 000 woningen hadden een maximale slip van 10 meter, zei Nakamura.

"Dus je kunt zien dat 50 meter een hele grote slip is, " zei hij. Dat verklaart op zichzelf gedeeltelijk waarom de tsunami-golf zo groot was, hij zei.

Afbeeldingen maken met geluidsgolven

Toen Martin Landrø, een geofysicus aan de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie (NTNU), las over de Japanse aardbeving en ontdekte dat zijn Japanse tegenhangers seismische gegevens hadden verzameld van zowel voor als na de aardbeving, hij dacht dat hij misschien wat hulp zou kunnen bieden.

Al meer dan 20 jaar, Landrø heeft gewerkt met het interpreteren en visualiseren van seismische gegevens. Oliemaatschappijen en geofysici gebruiken deze benadering routinematig om informatie te verzamelen over de geologie onder de zeebodem. Landrø heeft alles bestudeerd, van het toepassen van seismische gegevens om nieuwe onderzeese oliereservoirs te ontdekken tot het visualiseren van wat er gebeurt met CO2 die in een onderzees reservoir wordt geïnjecteerd, zoals nu gebeurt in het Sleipner Veld in de Noordzee.

Het werkt als volgt:een schip vaart 100 kilometer of meer langs een rechte lijn, en gebruikt luchtkanonnen om elke 50 meter een akoestisch signaal af te geven terwijl het schip langs vaart. Het schip sleept ook een lange kabel erachter om de akoestische signalen op te nemen die worden teruggekaatst door de sedimenten en het gesteente onder de zeebodem. Simpel gezegd, hardere materialen reflecteren signalen sneller terug dan zachtere materialen.

Geologen kunnen een tweedimensionaal beeld creëren, een dwarsdoorsnede van de geologie onder de zeebodem, door een lange kabel achter een schip te slepen. Een driedimensionaal beeld kan worden gecreëerd door een aantal kabels met sensoren erop te slepen en in wezen een reeks tweedimensionale afbeeldingen te combineren tot een driedimensionale.

Een heel speciaal type seismische data, echter, heet 4-D, waar de vierde dimensie tijd is. Hier, geofysici kunnen 2D-beelden uit verschillende tijdsperioden combineren, of 3D-beelden uit verschillende tijdsperioden om te zien hoe een gebied in de loop van de tijd is veranderd. Het kan zeer complex zijn, vooral als er verschillende systemen zijn gebruikt om de seismische gegevens van de twee verschillende tijdsperioden te verzamelen. Maar 4-D seismische analyse is de speciale expertise van Landrø.

Van Noordzee-oliereservoirs tot de Japanse Trench

Landrø nam contact op met Shuichi Kodaira, directeur van JAMSTEC's Centrum voor Aardbeving en Tsunami, en zei dat hij wilde zien of sommige van de technieken die voor aardoliegerelateerde doeleinden waren gebruikt, konden worden gebruikt om stressveranderingen in verband met aardbevingen te begrijpen. Kodaira was het daarmee eens.

Daarna was het gewoon een kwestie van de gegevens ophalen en "opnieuw verwerken, "Landro zei, om de twee verschillende tijdsperioden zo vergelijkbaar mogelijk te maken.

"We konden dan bewegingen en veranderingen inschatten die door de aardbeving op de zeebodem en onder de zeebodem werden veroorzaakt, ' zei Landro.

Na bijna een jaar op afstand samen te hebben gewerkt aan de data, Landrø en zijn Noorse collega's vlogen in november 2016 naar Japan om hun Japanse collega's voor het eerst te ontmoeten. Ze zijn nu bezig om gezamenlijk een wetenschappelijk artikel te schrijven voor publicatie, daarom is hij terughoudend om hun nieuwe bevindingen in detail te beschrijven voordat ze worden gepubliceerd.

"Het uiteindelijke doel hier is om zo gedetailleerd mogelijk te begrijpen wat er tijdens de aardbeving is gebeurd. Het grote geheel is min of meer hetzelfde, "Zei Landrø. "Het is meer alsof we kijken naar kleine details die belangrijk kunnen zijn met behulp van een techniek die al vele jaren in de olie-industrie wordt gebruikt. Misschien zien we details die nog niet eerder zijn gezien."

Een systeem voor vroegtijdige waarschuwing

Landrø is ook geïnteresseerd in een systeem dat JAMSTEC heeft geïnstalleerd in de oceaan in het zuiden van het land, genaamd het Dense Oceanfloor Network-systeem voor aardbevingen en tsunami's, beter bekend als DONET.

Het DONET-systeem (waarvan er nu twee zijn) is een reeks gekoppelde druksensoren die op de oceaanbodem in de Nankai-trog zijn geïnstalleerd, een gebied dat is getroffen door herhaalde gevaarlijke aardbevingen, JAMSTEC's Nakamura zei.

De Nankai-trog bevindt zich op de plaats waar de plaat van de Filippijnse Zee onder de Euraziatische plaat schuift met een snelheid van ongeveer 4 cm per jaar. In het algemeen, er zijn om de 100 tot 150 jaar grote aardbevingen langs de trog geweest.

DONET 1 bevat ook een reeks seismometers, hellingsmeters en spanningsindicatoren die werden geïnstalleerd in een put 980 meter onder een bekend aardbevingscentrum in de Nankai-trog. De sensoren van de put en van de zeebodem erboven zijn allemaal verbonden in een netwerk van kabels die realtime observaties naar meetstations en naar lokale overheden en bedrijven sturen.

Eigenlijk, als er beweging is die groot genoeg is om een ​​aardbeving en tsunami te veroorzaken, de sensoren zullen het melden. JAMSTEC-onderzoekers hebben studies uitgevoerd die aantonen dat het DONET-netwerk een komende tsunami wel 10 tot 15 minuten eerder kon detecteren dan detectiestations op het land langs de kust. Die extra minuten zouden duizenden levens kunnen redden.

"Een van de belangrijkste doelen hier is om een ​​systeem voor vroegtijdige waarschuwing voor tsunami's te bieden, "Zei Nakamura. "We hebben samengewerkt met lokale overheden om dit vast te stellen."

Andere toepassingen een mogelijkheid

Landrø zegt dat hij denkt dat het gebruik van technieken van 4-D seismische beeldvorming ook kan worden gebruikt met de gegevens die door alle DONET-sensoren zijn verzameld.

De DONET-aanpak, of een variant daarvan, kan in de toekomst ook nuttig zijn als Noorwegen en andere landen onderzoeken hoe oliereservoirs kunnen worden gebruikt om CO2 op te slaan. Een van de grootste zorgen over de opslag van CO2 in onderzeese reservoirs is het bewaken van het opslaggebied om er zeker van te zijn dat de CO2 op zijn plaats blijft. Een monitoringsysteem in DONET-stijl kan hier interessant zijn, zei Landro.

Landrø zegt ook dat hij denkt dat technieken van 4-D seismische beeldvorming kunnen worden gebruikt met de gegevens die door alle DONET-sensoren zijn verzameld om een ​​beter begrip te krijgen van hoe het gebied in de loop van de tijd verandert.

DONET "is passieve gegevens, luisteren naar de rots, "Zei Landrø. "Maar hier kun je ook enkele van dezelfde technieken gebruiken als voor 4-D-analyse om meer te leren."