In juni 2019 vond een aardbeving met een kracht van 4,0 plaats onder Lake Erie net buiten de kustlijn van Ohio, ongeveer 20 mijl ten noordoosten van Cleveland.

Hoewel er geen schade werd gemeld, was de beving onder water tot op 60 mijl afstand voelbaar - in het noordoosten van Ohio en in delen van Pennsylvania, Ontario en het zuidoosten van Michigan.

De aardbeving en talrijke naschokken vonden plaats tegen het einde van een periode van recordstijgingen in de waterstanden van de Grote Meren en vielen samen met het hoogste waterpeil dat ooit op Lake Erie is geregistreerd. Zou er een verband kunnen zijn tussen de seismische activiteit van Lake Erie en fluctuerende waterstanden in het meer?

Om daar achter te komen, hebben onderzoekers van de University of Michigan en hun collega's een nieuwe catalogus samengesteld van 437 relatief kleine aardbevingen in het Lake Erie-gebied die plaatsvonden tussen 2013 en 2020 - de meest complete catalogus die ooit is verkregen. Alle bevingen waren kleiner dan het evenement van juni 2019 en de meeste werden waarschijnlijk niet opgemerkt door inwoners van de regio.

Vervolgens berekenden de onderzoekers de spanningen die het verschuiven van de waterstanden van Lake Erie zou geven aan fouten in de rotsen onder het meer en gebruikten verschillende statistische methoden om een ​​correlatie te zoeken tussen aardbevingen en waterstanden.

Hun oordeel?

"Er kon geen sluitende correlatie worden vastgesteld tussen de aardbevingssnelheid en het waterpeil of de veranderingssnelheid van het waterpeil", zegt UM-geofysicus Yihe Huang, co-auteur van een studie die op 9 mei online is gepubliceerd in het tijdschrift Seismological Research Letters .

Het ontbreken van een smoking gun kan volgens de onderzoekers mede te maken hebben met het beperkte aantal aardbevingen in de nieuwe catalogus. Ook zijn door Lake Erie veroorzaakte spanningsveranderingen op nabijgelegen aardbevingsfouten waarschijnlijk 10 of 100 keer kleiner dan die op plaatsen worden gezien - zoals het reservoir achter de enorme Koyna-dam in India - waar aardbevingen de schuld krijgen van veranderende waterstanden.

"We kunnen de impact van het verhogen van het waterpeil op het reactiveren van de fouten die de aardbeving in Ohio in 2019 organiseerden niet volledig uitsluiten", zegt hoofdauteur Dongdong Yao, een voormalig UM-postdoctoraal onderzoeker die nu aan de China University of Geosciences werkt.

"Onze resultaten benadrukken de noodzaak van een intensievere en nauwkeurigere monitoring van de seismische activiteit van meren om de impact van veranderende waterbelasting op het reactiveren van ondiepe breuken in deze regio verder te onderzoeken."

Om hun bevindingen op te volgen, zullen Huang en haar collega's nieuwe technieken gebruiken om de regionale seismologie van de Grote Meren te volgen en zullen ze op fysica gebaseerde simulaties uitvoeren. Specifiek:

• Huang en U-M-seismoloog Zack Spica plannen deze zomer een veldexperiment om een ​​bestaande glasvezelkabel in Lake Ontario om te zetten in sensoren die seismische en andere fenomenen zoals seiches, bodemstromingen of veranderingen in het waterpeil beter kunnen monitoren. Eerdere onderzoeken in andere delen van het land hebben het potentieel aangetoond voor het gebruik van bestaande netwerken van glasvezelkabels - dezelfde optische vezels die snel internet en HD-video leveren aan onze huizen - om aardbevingen te bestuderen.
• Huang en collega's zullen de extra spanningen op de aardbevingsfouten in het Erie-gebied, veroorzaakt door hoge waterstanden, simuleren, evenals de mate waarin meerwater dat in het gesteente doorsijpelt, kan helpen bij het smeren van die fouten. "Deze twee effecten kunnen in de natuur met elkaar concurreren, en de op fysica gebaseerde simulaties kunnen ons helpen bepalen welk effect belangrijker is", zei ze.

Daarnaast analyseren Huang en haar team nog steeds gegevens van een netwerk van acht seismometers, bekend als het LEEP-project voor Lake Erie Earthquake ExPeriment, dat ze van oktober 2018 tot juli 2021 in de westelijke hoek van Lake Erie hebben gebruikt.

Het gebied van de Grote Meren wordt over het algemeen als seismisch inactief beschouwd en aardbevingen met een kracht van 5 of meer zijn zeldzaam. In de regio komen echter twee of drie keer per jaar aardbevingen met een kracht van meer dan 2 voor, voornamelijk rond de meren Erie en Ontario. Aardbevingen met een kracht van 2,5 tot 3 zijn de kleinste die over het algemeen door mensen worden gevoeld.

"We zijn er niet zeker van of breuken in het Erie-gebied destructieve of dodelijke aardbevingen kunnen veroorzaken", zegt Huang, assistent-professor in het U-M Department of Earth and Environmental Sciences. "Daarom zijn seismologen geïnteresseerd in het bestuderen van een reeks aardbevingen van het type met een kracht van 4 uit deze regio."

Sinds het begin van 2010 heeft het oosten van Ohio een significante toename gezien in de frequentie van relatief kleine aardbevingen. De oorsprong van die aardbevingen is slecht begrepen, maar sommige eerdere studies suggereerden dat ze kunnen worden toegeschreven aan afvalwaterinjectie en hydrofracturering.

Door injectie geïnduceerde seismiciteit is ook gesuggereerd als de oorzaak van de laatste aardbeving van magnitude 5 in de regio, die plaatsvond in januari 1986 in het noordoosten van Ohio, ten oosten van Cleveland in het zuiden van Lake County.

In de nieuwe studie, die de periode van 2013 tot 2020 bestrijkt, vond het door U-M geleide team een ​​cluster van aardbevingen in de buurt van de temblor van 1986 en in de buurt van afvalwaterafvoerputten die tijdens de onderzoeksperiode in werking waren. Ze concludeerden dat deze cluster van aardbevingen "mogelijk veroorzaakt kan worden door afvalwaterafvoer."

"Meer intrigerend was dat de aardbeving van 1986 ook plaatsvond tijdens een andere periode van geregistreerde hoge waterstanden over de Grote Meren", schreven de auteurs. "Door de grote afstand ten opzichte van Lake Erie zou het echter moeilijk zijn om de impact van door het meer veroorzaakte stressverandering op het veroorzaken van de aardbeving van 1986 te evalueren."

Om hun nieuwe catalogus van 437 aardbevingen in het Erie-gebied te maken, begonnen de onderzoekers met 27 eerder gerapporteerde aardbevingen die zijn opgenomen in de Advanced National Seismic System Comprehensive Earthquake Catalog, die bekend staat als de ComCat-catalogus.

Amerikaanse seismometernetwerken hebben tijdens de onderzoeksperiode continue opnamen gemaakt van grondbewegingen in de regio. Met behulp van de golfvormen geproduceerd door de 27 bekende aardbevingen als sjablonen, scande het team de continue opnames op zoek naar voorheen onopgemerkte aardbevingen met vergelijkbare golfvormen. Het proces wordt sjabloonovereenkomst genoemd.

De meeste aardbevingen in de nieuwe catalogus zouden niet gevoeld zijn door omwonenden en zijn alleen detecteerbaar door nabijgelegen seismometers die gevoelig zijn voor kleine hoeveelheden grondschudden.

De nieuwe catalogus onthulde 20 tot 40 kleine aardbevingen per jaar tijdens de onderzoeksperiode, voorafgaand aan het evenement in juni 2019. Een hoge seismiciteitsgraad in 2019 werd gedomineerd door naschokken na de aardbeving met een kracht van 4,0.

Naast het samenstellen van de uitgebreide nieuwe catalogus, was het team ook de eerste die de fout in kaart bracht die scheurde om de aardbeving van 2019 te veroorzaken, die plaatsvond op een diepte van ongeveer 2 kilometer (1,2 mijl).