Op de ochtend van 4 juli 2019, een reeks zeer kleine aardbevingen begon te rommelen in de Mojave-woestijn, niet ver van de stad Ridgecrest in het zuiden van Californië.

Niemand wist toen dat dit voorschokken waren die spoedig zouden worden gevolgd door twee van de grootste aardbevingen die Californië in meer dan 20 jaar zouden treffen. Een aardbeving met een kracht van 6,4 op de schaal van Richter schudde de regio op 4 juli, flessen uit de winkelrekken smijten, breken van ramen en waterleidingen, het kraken van een snelweg en het aanzetten tot evacuaties.

Twee dagen en honderden kleine bevingen later, een aardbeving met een kracht van 7,1 op de schaal van Richter (bijna 11 keer krachtiger) trof een andere fout in hetzelfde gebied, vuur achterlatend, lekkende water- en gasleidingen, en gebarsten gebouwen en wegen en gedwongen de evacuatie van een marinewapenfaciliteit groter dan Rhode Island.

De U.S. Geological Survey meldt dat ongeveer de helft van de grootste aardbevingen in Californië zijn voorafgegaan door voorschokken. Wereldwijd, er is ongeveer 6 procent kans dat een bepaalde aardbeving een voorschok zal blijken te zijn, gevolgd door een grotere aardbeving binnen drie dagen, hoewel die waarschijnlijkheid afneemt naarmate de tijd vanaf de eerste gebeurtenis toeneemt.

Maar voorschokken worden pas achteraf herkend. "Een voorschok is gewoon een aardbeving gevolgd door een grotere aardbeving - de hoofdschok, " legde Paul Segall uit, hoogleraar geofysica aan de School of Earth van Stanford University, Energie- en milieuwetenschappen (Stanford Earth). Gebruikelijk, om een ​​voorafgaande aardbeving als een voorschok te beschouwen, seismologen zoeken ook naar het epicentrum in hetzelfde algemene gebied als de hoofdschok - op een afstand van niet meer dan een paar keer de lengte van de breuksectie die tijdens de hoofdschok bewoog.

Omdat voorschokken voorafgaan aan grotere aardbevingen, steeds frequenter naarmate de mainshock nadert, ze hebben lang het verleidelijke vooruitzicht geboden om te waarschuwen voor mogelijk schadelijke aardbevingen. "Als we op de een of andere manier konden vaststellen dat een bepaalde aardbeving een voorschok was voordat de hoofdschok arriveert, dat zou heel handig kunnen zijn, ' zei Segal.

Voorschokken ontstaan ​​door grove fouten

Wetenschappers hebben decennialang geprobeerd de fysieke processen te begrijpen die voorschokken veroorzaken, en waarom sommige aardbevingsreeksen ze hebben en andere niet. Een leidende theorie stelt dat voorschokken het gevolg zijn van een versnelling van slipbewegingen langs een breuklijn. Deze beweging, bekend als aseismische slip, veroorzaakt kleine aardbevingen omdat het zich over steeds grotere delen van de fout uitstrekt en versnelt.

"Het alternatieve idee is van een cascade van kleine aardbevingen zonder aseismische slip, " zei Segall, wie is de Cecil H. en Ida M. Green Professor in Geofysica. "Aardbevingen herverdelen stress in de aarde. In gebieden waar stress toeneemt, het kan andere aardbevingen veroorzaken. Deze groeiende cascade veroorzaakt uiteindelijk een gebeurtenis die uitgroeit tot de mainshock."

Recent onderzoek door Segall en seismoloog Camilla Cattania in the Journal of Geophysical Research:Solid Earth suggereert dat voorschokken in feite worden aangedreven door feedback tussen de twee. "We ontdekten dat beide mechanismen - aseismische slip en herverdeling van stress door kleine aardbevingen - een rol spelen tijdens voorschoksequenties, en ze versterken elkaar. Een complexe foutgeometrie maakt gelijktijdige aseismische slip en voorschokken mogelijk, " zei Cattania, een assistent-professor in MIT's Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences die als onderzoekswetenschapper aan Stanford aan het onderzoek heeft meegewerkt.

Zoals veel natuurlijke systemen, fouten zijn fractaal, wat betekent dat ze op alle schalen onregelmatig zijn. "Als de twee kanten van een ruwe breuk langs elkaar glijden, sommige delen van de breukzijden worden tegen elkaar gedrukt, het vormen van vastzittende plekken, " legde Cattania uit. "Voorschokken vertegenwoordigen de breuk van deze vastzittende plekken." Deze breuken verhogen vervolgens de stress in de omliggende gebieden, het geleidelijk "losmaken" van de fout en het veroorzaken van aseismische slip om te versnellen. "Sneller aseismische slip, beurtelings, benadrukt nabijgelegen seismische plekken en veroorzaakt meer voorschokken. Deze positieve feedback veroorzaakt een uitbreiding van het slipgebied en steeds frequentere voorschokken, in de aanloop naar de hoofdschok, " ze zei.

Volgens Cattania, dit betekent dat breukruwheid daarom de onderliggende oorzaak is van de feedback tussen voorschokken en aseismische slip. Ze zei, "Omdat alle fouten ruw zijn, seismische en aseismische slip zullen waarschijnlijk naast elkaar bestaan ​​tijdens de meeste voorschoksequenties. De klassieke mechanismen die worden voorgesteld voor voorschokken - ofwel aangedreven door aseismische slip of een volledig seismische cascade - vangen elk een deel van het proces op, maar ze sluiten elkaar niet uit."

Simulatie van aardbevingssequenties

Bewijs voor het idee van voorschokken als gevolg van een combinatie van versnellende aseismische slip en cascades van kleine aardbevingen komt uit computermodellering. Cattania en Segall hebben numerieke simulaties opgezet van seismische cycli op ruwe fouten, met geometrie consistent met gegevens uit het veld en laboratorium.

De simulaties van het team toonden aan dat voorschokken versnelden in de aanloop naar de hoofdschok, consistent met de patronen die te zien zijn in de gemiddelden van gegevens van echte voorschokken - een bewijs van de nauwkeurigheid van het model. In de toekomst, het is mogelijk dat de voorspellingen van het model kunnen worden gebruikt om nieuwe inzichten te verkrijgen over voorschoksequenties uit bestaande datasets en om eerder gemiste of verkeerd geïnterpreteerde gevallen van aseismische slip te ontdekken. "Onze resultaten bieden een fysieke interpretatie voor voorschokken, ' zei Cattania. 'Maar er moet nog veel werk worden verzet voordat deze kennis kan worden vertaald in prognoses.'