New research on the 9.0-magnitude Tohoku-Oki earthquake explores the intersection between Earth science, material properties and advanced modelling techniques. By combining aspects of these scientific fields, Ehsan Jamali Hondori și Parcul Jin-Oh de la Universitatea din Tokyo au reușit să identifice rolul jucat de sedimentele submarine în acest cutremur mortal, care a lovit Japonia în 2011. De asemenea, cercetarea ar putea ajuta la identificarea defectelor care ar fi predispuse la cutremure similare în viitor.
The duo’s work focused on a shallow plate boundary thrust fault, also known as a décollement, which is a very shallow and unstable zone of tectonic activity. This fault is positioned relative to the Japan trench subduction zone off the eastern coast of Japan, and its rupture led to the disturbance on the seafloor that created the tsunami waves associated with the Tohoku-Oki earthquake. This large-scale interpretation is well-accepted; however, what requires further investigation is the stability of the underlying sediments (layered particulates that have not yet become solid rock) that may have affected the rupture propagation of the fault.
Jamali Hondori and Park studied this stability using 2D seismic imaging, followed by a pore-fluid pressure calculation of the sediments at the décollement. The seismic imaging allows for a reconstruction of the geological structures, and the pore-fluid pressure describes the behaviour of the sediment particles as they are subjected to a high-pressure load coming from the ocean above the décollement.
Datele seismice și datele porilor-fluid au fost colectate separat, cu datele seismice sub forma unei seismograme, iar datele porilor-fluid au fost reprezentate în funcție de forfecarea și distanța de la șanț.
Jackpot de date
The earthquake epicenter was located remarkably close to site 2E, which is a survey location from a previous study. With this prime positioning relative to the décollement, Jamali Hondori and Park hit the jackpot when it comes to seismic depth images.
Seismic depth images of the décollement revealed the formation of an accretionary prism. This is a collection of displaced sediments that have been dredged up and jostled by the region’s tectonic movements. Measuring the relative velocities of the seismic waves through these sedimentary structures allowed the duo to conclude that the pore-fluid pressure of sediments led to destabilization, which in turn led to seismic activity near site 2E.
The research makes an important connection between the cause of the earthquake and how fluid drains from the sediments. This was evaluated by calculating a “fluid overpressure ratio”, which quantifies the drainage and amount of fluid still present in the sediments. Jamali Hondori and Park have shown that beneath site 2E, there is an active drainage path. As a result, the seepage of fluid from the sediments results in lower pore pressure conditions in this zone. At the décollement, however, highly pressurized pore fluid is trapped within the impermeable sediments. This causes fault instability and decreased friction, which favours rupture propagation.
Sedimente instabile
Pe scurt, încărcarea tectonică și presurizarea termică a sedimentelor pe măsură ce se deplasează de-a lungul substratului lor este probabil vinovat pentru ruptura neașteptat de mare de falie a cutremurului Tohoku-Oki. Cu alte cuvinte, cutremurul Tohoku-Oki a fost cauzat de presiunea hidrostatică a oceanului care se abate asupra sedimentelor. Acest lucru a destabilizat în cele din urmă sedimentele la scară microscopică, creând astfel o mișcare tectonică la scară largă.
Dacă presiunea porilor-fluid și presiunea hidrostatică sunt egale ca mărime, nu ar fi existat nicio încărcare seismică. În schimb, disparitatea dintre cele două este cauza alunecării coseismice mari în timpul cutremurului, unde coseismic se referă la un eveniment mecanic care coincide cu activitatea seismică.
Cercetătorii au analizat forfecarea și tensiunea efectivă verticală la locul defectului, în plus față de raportul dintre efortul efectiv vertical calculat și așteptat - pe care duoul îl descriu ca un raport efectiv al tensiunii. Această analiză a dezvăluit tendința defectului pentru alunecare și ruptură coseismică, unde un raport de stres efectiv scăzut a dus atât la alunecarea defectului, cât și la tsunami-ul asociat.
Deplasare orizontală
Atenuarea undelor sugerează natura astenosferei Pământului
În cele din urmă, Jamali Hondori și Park au ajuns la concluzia că modelele complexe de rupere la falie au creat condiții în care presiunea fluidă a porilor a fost esențială în dictarea nivelurilor de forfecare. Drept urmare, cercetătorii subliniază că o deplasare orizontală proporțională cu fluctuațiile stabilității sedimentelor a provocat acest cutremur masiv.
This research also has implications for our understanding of décollement thrust faults, illustrating the importance of the properties of the sediment beneath the fault. It could be possible to study the sediment profile of specific fault and predict powerful earthquakes before they occur. The ability to forecast nature-driven hazards would be invaluable to people living on coastlines, especially as climate change drives the frequency of increasingly serious natural disasters.
Cercetarea este descrisă în Rapoarte științifice.
