Badanie kwestionuje wiarygodność wykorzystania warstw turbidytu do śledzenia historii sejsmicznej strefy subdukcji Cascadia, sugerując potrzebę udoskonalonych metod przewidywania przyszłych trzęsień ziemi.
Strefa subdukcji Cascadia na północno-zachodnim Pacyfiku spowodowała jedne z najpotężniejszych i najbardziej niszczycielskich trzęsień ziemi w historii, zatapiając lasy i generując tsunami, które dotarły do wybrzeży Japonii.
Chociaż ostatnie wielkie trzęsienie ziemi, które wytworzyło strefa subdukcji Cascadia, miało miejsce w 1700 roku, prawdopodobnie nie będzie ostatnie. Obszarem, który może zostać dotknięty, są obecnie tętniące życiem metropolie, w których mieszkają miliony ludzi.
Wyzwania w przewidywaniu trzęsień ziemi
Naukowcy aktywnie próbują określić częstotliwość trzęsień ziemi i przewidzieć, kiedy nastąpi kolejne „duże”. Zadanie to zazwyczaj polega na szukaniu śladów przeszłych trzęsień ziemi w zapisie geologicznym w postaci wstrząśniętych skał, osadów i krajobrazów.
Nowe badanie prowadzone przez Uniwersytet Teksasu w Austin podważyło wiarygodność zapisu trzęsienia ziemi obejmującego tysiące lat – rodzaju złoża geologicznego zwanego turbidytem, występującego w warstwach dna morskiego.
Turbidyty i korelacja trzęsień ziemi
Naukowcy przeanalizowali wybrane warstwy turbidytu ze strefy subdukcji Cascadia sprzed około 12 000 lat za pomocą algorytmu oceniającego, jak dobrze warstwy turbidytu są ze sobą skorelowane.
Ustalili, że w większości przypadków korelacja między próbkami turbidytu nie była lepsza niż losowa. Ponieważ turbidyty mogą być spowodowane szeregiem zjawisk, a nie tylko trzęsieniami ziemi, wyniki sugerują, że powiązanie zapisu turbidytu z przeszłymi trzęsieniami ziemi jest bardziej niepewne, niż wcześniej sądzono.
„Chcielibyśmy, aby każdy, kto powołuje się na okresy subdukcji trzęsień ziemi w Cascadia, zrozumiał, że w tym badaniu te ramy czasowe są kwestionowane” – powiedziała Joan Gomberg, geofizyczka z US Geological Survey i współautorka badania. „Ważne jest przeprowadzenie dalszych badań w celu udoskonalenia tych przedziałów. Wiemy jednak, że Cascadia była aktywna sejsmicznie w przeszłości i będzie aktywna w przyszłości, więc ostatecznie ludzie muszą być przygotowani”.
Udoskonalanie technik badawczych
Wyniki niekoniecznie zmieniają szacowaną częstotliwość trzęsień ziemi w Cascadii, która zdarza się mniej więcej raz na 500 lat, twierdzą naukowcy. Obecne szacunki częstotliwości opierają się na szeregu danych i interpretacji, a nie tylko na turbidytach analizowanych w tym badaniu. Wyniki podkreślają jednak potrzebę dalszych badań nad warstwami turbidytu i ich wzajemnymi powiązaniami oraz dużymi trzęsieniami ziemi.
Współautor Jacob Covault, profesor naukowy w UT Jackson School of Geosciences, powiedział, że algorytm oferuje narzędzie ilościowe, które zapewnia powtarzalną metodę interpretacji starożytnych zapisów trzęsień ziemi, które zwykle opierają się na bardziej jakościowych opisach geologii i ich potencjalnych powiązaniach .
„To narzędzie zapewnia powtarzalne wyniki, więc każdy może zobaczyć to samo” – powiedział Covault, współkierownik laboratorium Quantitative Clastics w Biurze Geologii Ekonomicznej szkoły Jackson. „Można potencjalnie polemizować z tym wynikiem, ale przynajmniej masz punkt odniesienia i podejście, które jest powtarzalne”.
Wyniki opublikowano w czasopiśmie Biuletyn GSA. W badaniu wzięli udział naukowcy z USGS, Uniwersytetu Stanforda oraz Wydziału Badań Geologicznych i Geofizycznych Alaski.
Warstwy turbidytów i ich rola geologiczna
Turbidyty są pozostałością po podwodnych osuwiskach. Składają się z osadów, które opadły z powrotem na dno morskie po wrzuceniu do wody w wyniku burzliwego ruchu osadów pędzących po dnie oceanu. Osad w tych warstwach ma wyraźną gradację, z grubszymi ziarnami na dole i drobniejszymi na górze.
Istnieje jednak więcej niż jeden sposób na utworzenie warstwy turbidytu. Trzęsienia ziemi mogą powodować osunięcia ziemi, gdy wstrząsają dnem morskim. Ale podobnie mogą być burze, powodzie i szereg innych zjawisk naturalnych, choć na mniejszą skalę geograficzną.
Zaawansowane techniki analizy danych turbidytu
Obecnie łączenie turbidytów z trzęsieniami ziemi, które miały miejsce w przeszłości, zwykle polega na odnajdywaniu ich w rdzeniach geologicznych pobranych z dna morskiego. Zdaniem naukowców, jeśli turbidyt pojawia się mniej więcej w tym samym miejscu w wielu próbkach na stosunkowo dużym obszarze, uważa się go za pozostałość po przeszłym trzęsieniu ziemi.
Chociaż próbki datowane metodą węglową mogą pomóc w zawężeniu czasu, nadal istnieje duża niepewność w interpretacji, czy próbki, które pojawiają się mniej więcej w tym samym czasie i miejscu, są powiązane przez to samo wydarzenie.
Lepsze zrozumienie relacji między różnymi próbkami turbidytu zainspirowało badaczy do zastosowania bardziej ilościowej metody – algorytmu zwanego „dynamicznym dopasowaniem czasu” – do danych turbidytu. Metoda algorytmiczna sięga lat 70. XX wieku i ma szerokie zastosowanie, od rozpoznawania głosu po wygładzanie grafiki w dynamicznych środowiskach VR.
Po raz pierwszy zastosowano ją do analizy turbidytów, powiedział współautor Zoltán Sylvester, profesor naukowy w Jackson School i współkierownik laboratorium Quantitative Clastics Lab, który kierował adaptacją algorytmu do analizy turbidytów.
„Ten algorytm był kluczowym elementem wielu projektów, nad którymi pracowałem” – powiedział Sylvester. „Ale w naukach o Ziemi nadal jest ona bardzo niedostatecznie wykorzystywana”.
Algorytm wykrywa podobieństwa między dwiema próbkami, które mogą zmieniać się w czasie, i określa, jak bardzo dane między nimi są zgodne.
W przypadku oprogramowania do rozpoznawania głosu oznacza to rozpoznawanie słów kluczowych, nawet jeśli są wypowiadane z różną szybkością i wysokością. W przypadku turbidytów polega to na rozpoznaniu wspólnych właściwości magnetycznych różnych próbek turbidytu, które mogą wyglądać inaczej w zależności od lokalizacji, mimo że pochodzą z tego samego zdarzenia.
„Korelowanie turbidytów nie jest prostym zadaniem” – powiedziała współautorka Nora Nieminski, kierownik programu zagrożeń przybrzeżnych w Wydziale Badań Geologicznych i Geofizycznych Alaski. „Turbidyty często wykazują znaczną zmienność poprzeczną, która odzwierciedla ich zmienną dynamikę przepływu. Dlatego nie oczekuje się, że turbidyty zachowają ten sam charakter depozycji na dużych odległościach, a w wielu przypadkach nawet na małych odległościach, szczególnie wzdłuż aktywnych marginesów, takich jak Cascadia, lub w różnych środowiskach depozycyjnych.
Badacze poddali także korelacje utworzone przez algorytm innemu poziomowi analizy. Porównali wyniki z danymi korelacyjnymi obliczonymi na podstawie danych syntetycznych uzyskanych poprzez porównanie 10 000 par losowych warstw turbidytu. To syntetyczne porównanie służyło jako kontrola przypadkowych dopasowań w rzeczywistych próbkach.
Naukowcy zastosowali swoją technikę do rejestrów podatności magnetycznej warstw turbidytu w dziewięciu rdzeniach geologicznych, które zebrano podczas rejsu naukowego w 1999 r. Odkryli, że w większości przypadków połączenie między wcześniej skorelowanymi warstwami turbidytu nie było lepsze niż przypadkowe. Jedynym wyjątkiem od tej tendencji były warstwy turbidytu, które znajdowały się stosunkowo blisko siebie – w odległości nie większej niż około 25 mil od siebie.
Wniosek: niepewność pozostaje
Naukowcy podkreślają, że algorytm to tylko jeden ze sposobów analizy zmętnienia i że uwzględnienie innych danych może w ten czy inny sposób zmienić stopień korelacji między rdzeniami. Jednak zgodnie z tymi wynikami obecność zmętnień w tym samym czasie i na ogólnym obszarze w zapisie geologicznym nie jest wystarczająca, aby definitywnie je ze sobą połączyć.
I chociaż algorytmy i uczenie maszynowe podejścia mogą pomóc w tym zadaniu, zadaniem geologów jest zinterpretowanie wyników i sprawdzenie, dokąd prowadzą badania.
„Jesteśmy tutaj, aby odpowiadać na pytania, a nie tylko stosować narzędzie” – powiedział Sylvester. „Ale jednocześnie wykonywanie tego rodzaju pracy zmusza cię do bardzo uważnego myślenia”.
Odniesienie: „Turbidytowa korelacja dla paleosejsmologii” Nory M. Nieminski, Zoltána Sylvestera, Jacoba A. Covaulta, Joana Gomberga, Lydii Staisch i Iana W. McBrearty’ego, 18 czerwca 2024 r., Biuletyn GSA.
DOI: 10.1130/B37343.1
