In de nasleep van de verwoestende aardbeving in Tohoku-Oki die in maart 2011 voor de kust van Japan trof seismologen waren verbluft door de ongekende 50 meter ondiepe verplaatsing langs de breuk, die helemaal tot aan het oppervlak van de zeebodem scheurde. Deze extreme slip op ondiepe diepten verergerde de enorme tsunami die, samen met de aardbeving met een kracht van 9.1, veroorzaakte grote schade en verlies van mensenlevens in Japan.

In een nieuwe studie, gepubliceerd op 27 januari in Natuurcommunicatie , onderzoekers gebruikten een nieuwe techniek om de fouten in de Japanse Trench te bestuderen, de subductiezone waar de Tohoku-Oki-aardbeving toesloeg. Hun bevindingen onthullen een lange geschiedenis van grote aardbevingen in deze breukzone, waar ze meerdere fouten vonden met bewijs van meer dan 10 meter slip tijdens grote aardbevingen.

"We hebben bewijs gevonden van veel grote aardbevingen die naar de zeebodem zijn gescheurd en tsunami's kunnen veroorzaken zoals die in 2011, " zei co-auteur Pratigya Polissar, universitair hoofddocent oceaanwetenschappen aan UC Santa Cruz.

Japanse onderzoekers die naar onshore sedimentafzettingen kijken, hebben bewijs gevonden van ten minste drie vergelijkbare tsunami's in deze regio op ongeveer 1 Intervallen van 000 jaar. De nieuwe studie suggereert dat er zelfs meer grote aardbevingen zijn geweest in deze breukzone dan die welke onshore sporen van grote tsunami's hebben achtergelaten. zei co-auteur Heather Savage, universitair hoofddocent aard- en planetaire wetenschappen aan UC Santa Cruz.

Savage en Polissar hebben een techniek ontwikkeld om de geschiedenis van aardbevingsslip op een fout te beoordelen door organische moleculen te analyseren die vastzitten in sedimentair gesteente. Oorspronkelijk gesynthetiseerd door zeealgen en andere organismen, deze "biomarkers" worden gewijzigd of vernietigd door hitte, inclusief de wrijvingsverwarming die optreedt wanneer een fout wegglijdt tijdens een aardbeving. Door uitgebreide laboratoriumtests in het afgelopen decennium, Savage en Polissar hebben methoden ontwikkeld om de thermische evolutie van deze biomarkers te kwantificeren en deze te gebruiken om de temperatuurgeschiedenis van een fout te reconstrueren.

Het Japan Trench Fast Drilling Project (JFAST) boorde in 2012 in de breukzone het extraheren van kernen en het installeren van een temperatuurobservatorium. UCSC-seismoloog Emily Brodsky hielp bij het organiseren van JFAST, wat de eerste directe meting opleverde van de wrijvingswarmte geproduceerd door de breukslip tijdens een aardbeving (zie eerder verhaal). Deze warmte verdwijnt na de aardbeving, echter, dus het signaal is klein en van voorbijgaande aard.

"De biomarkers geven ons een manier om permanente veranderingen in het gesteente te detecteren die een record van verwarming op de fout behouden, ' zei Savage.

Voor de nieuwe studie de onderzoekers onderzochten de JFAST-kernen, die zich uitstrekte door de breukzone tot in de subductieplaat eronder. "Het is een complexe breukzone, en er waren veel fouten in de kern. We waren in staat om te zeggen welke fouten in het verleden tekenen van grote aardbevingen vertoonden, ' zei Savage.

Een van hun doelen was om te begrijpen of sommige steensoorten in de breukzone meer vatbaar waren voor grote slip bij een aardbeving dan andere rotsen. De kernen gingen door lagen moddersteen en klei met verschillende wrijvingssterkten. Maar de biomarkeranalyse toonde bewijs van grote seismische slip-on-fouten in alle verschillende gesteentetypes. De onderzoekers concludeerden dat verschillen in wrijvingseigenschappen niet noodzakelijk de kans op grote ondiepe slip of seismisch gevaar bepalen.

Savage en Polissar begonnen te werken aan de biomarkertechniek als postdoctoraal onderzoekers aan de UC Santa Cruz, publiceerden hun eerste paper erover met Brodsky in 2011. Ze bleven het ontwikkelen als onderzoekers van het Lamont-Doherty Earth Observatory van Columbia University, voordat hij terugkeerde naar UC Santa Cruz als faculteitsleden in 2019. Hannah Rabinowitz, de eerste auteur van het nieuwe artikel, werkte met hen als een afgestudeerde student aan Columbia en is nu bij het Amerikaanse ministerie van Energie.

"We hebben deze techniek getest in verschillende gesteenten met verschillende leeftijden en verwarmingsgeschiedenissen, en we kunnen nu ja zeggen, er was een aardbeving op deze fout, en we kunnen zien of er een grote was of veel kleine, "Zei Savage. "We kunnen deze techniek nu meenemen naar andere fouten om meer te weten te komen over hun geschiedenis."

Naast Rabinowitz, Wild, en Polissar, de co-auteurs van het artikel zijn onder meer Christie Rowe en James Kirkpatrick van McGill University. Dit werk werd gefinancierd door de National Science Foundation. Het JFAST-project werd gesponsord door het International Ocean Drilling Program (IODP).