Ny forskning i Tohoku-Oki jordskælvet med en styrke på 9.0 udforsker skæringspunktet mellem jordvidenskab, materialeegenskaber og avancerede modelleringsteknikker. Ved at kombinere aspekter af disse videnskabelige områder, Ehsan Jamali Hondori , Jin-Oh Park ved University of Tokyo var i stand til at identificere den rolle, som undersøiske sedimenter spillede i dette dødelige jordskælv, som ramte Japan i 2011. Forskningen kunne også hjælpe med at identificere fejl, der ville være tilbøjelige til lignende jordskælv i fremtiden.
Duoens arbejde fokuserede på en lavvandet pladegrænsetrykforkastning, også kendt som et décollement, som er en meget lavvandet og ustabil zone med tektonisk aktivitet. Denne forkastning er placeret i forhold til den japanske skyttegravssubduktionszone ud for Japans østlige kyst, og dens brud førte til den forstyrrelse på havbunden, der skabte tsunamibølgerne i forbindelse med Tohoku-Oki jordskælvet. Denne storstilede fortolkning er velaccepteret; det, der dog kræver yderligere undersøgelser, er stabiliteten af de underliggende sedimenter (lagdelte partikler, der endnu ikke er blevet til fast bjergart), som kan have påvirket brududbredelsen af forkastningen.
Jamali Hondori og Park undersøgte denne stabilitet ved hjælp af 2D seismisk billeddannelse, efterfulgt af en pore-væske trykberegning af sedimenterne ved dekollementet. Den seismiske billeddannelse giver mulighed for en rekonstruktion af de geologiske strukturer, og pore-væsketrykket beskriver sedimentpartiklernes opførsel, når de udsættes for en højtryksbelastning, der kommer fra havet over dekollementet.
De seismiske data og pore-væske-data blev indsamlet separat, med de seismiske data i form af et seismogram, og pore-væske-dataene plottet mod forskydningsbelastning og afstand fra renden.
Data jackpot
Jordskælvets epicenter var placeret bemærkelsesværdigt tæt på lokalitet 2E, som er et undersøgelsessted fra en tidligere undersøgelse. Med denne førsteklasses placering i forhold til décollementet, ramte Jamali Hondori og Park jackpotten, når det kommer til seismiske dybdebilleder.
Seismiske dybdebilleder af dekollementet afslørede dannelsen af et accretionært prisme. Dette er en samling af fordrevne sedimenter, der er blevet opgravet og fordrevet af regionens tektoniske bevægelser. Måling af de relative hastigheder af de seismiske bølger gennem disse sedimentære strukturer gjorde det muligt for duoen at konkludere, at pore-væsketrykket i sedimenter førte til destabilisering, hvilket igen førte til seismisk aktivitet nær sted 2E.
Forskningen skaber en vigtig sammenhæng mellem årsagen til jordskælvet og hvordan væske dræner fra sedimenterne. Dette blev evalueret ved at beregne et "væskeovertryksforhold", som kvantificerer dræningen og mængden af væske, der stadig er til stede i sedimenterne. Jamali Hondori og Park har vist, at der under site 2E er en aktiv dræningssti. Som følge heraf resulterer udsivningen af væske fra sedimenterne i lavere poretryksforhold i denne zone. Ved dekollementet er porevæske under højt tryk imidlertid fanget i de uigennemtrængelige sedimenter. Dette forårsager fejlustabilitet og nedsat friktion, hvilket begunstiger brududbredelse.
Ustabile sedimenter
Kort sagt, den tektoniske belastning og termiske tryksætning af sedimenterne, når de skifter langs deres substrat, er den sandsynlige skyld i Tohoku-Oki jordskælvets uventede store fejlbrud. Med andre ord var Tohoku-Oki jordskælvet forårsaget af det hydrostatiske tryk fra havet, der bar ned på sedimenter. Dette destabiliserede i sidste ende sedimenterne i mikroskopisk skala og skabte derved en storstilet tektonisk bevægelse.
Hvis pore-væsketrykket og det hydrostatiske tryk var lige store, ville der ikke have været nogen seismisk belastning. I stedet er forskellen mellem de to årsagen til det store koseismiske slip under jordskælvet, hvor coseismisk refererer til en mekanisk hændelse, der falder sammen med seismisk aktivitet.
Forskerne analyserede forskydnings- og lodret effektive spænding på forkastningsstedet, ud over forholdet mellem den beregnede og forventede lodrette effektive spænding - som duoen beskriver som et effektivt spændingsforhold. Denne analyse afslørede fejlens tilbøjelighed til koseismisk glidning og brud, hvor et lavt effektivt spændingsforhold resulterede i både fejlskridningen og den tilhørende tsunami.
Horisontal forskydning
Bølgedæmpning antyder naturen af Jordens asthenosfære
Endelig konkluderer Jamali Hondori og Park, at komplekse brudmønstre ved forkastningen skabte forhold, hvor pore-væsketryk var medvirkende til at diktere forskydningsspændingsniveauer. Som et resultat påpeger forskerne, at en horisontal forskydning svarende til udsving i sedimentstabilitet forårsagede dette massive jordskælv.
Denne forskning har også implikationer for vores forståelse af decollement-trykforkastninger, hvilket illustrerer vigtigheden af egenskaberne af sedimentet under forkastningen. Det kunne være muligt at studere sedimentprofilen af specifik forkastning og forudsige kraftige jordskælv, før de opstår. Evnen til at forudsige naturbetingede farer ville være uvurderlig for mennesker, der bor på kystlinjer, især da klimaændringer driver hyppigheden af stadig mere alvorlige naturkatastrofer.
Forskningen er beskrevet i Videnskabelige rapporter.
