Trzęsienia ziemi i tsunami na dużą skalę dotknęły w przeszłości zachodnie regiony Stanów Zjednoczonych i Kanady i prawdopodobnie będą miały takie same skutki w przyszłości.
U południowych wybrzeży Kolumbii Brytyjskiej, Waszyngtonu, Oregonu i północnej Kalifornii istnieje pas o długości 600 mil, w którym dno Oceanu Spokojnego stopniowo obniża się na wschód pod Ameryką Północną.
Na tym obszarze, zwanym Strefą Subdukcji Cascadia, występuje uskok megathrust, czyli miejsce, w którym płyty tektoniczne poruszają się względem siebie w wysoce niebezpieczny sposób. Płytki mogą okresowo blokować się i wytwarzać naprężenia na dużych obszarach – w końcu zostać uwolnione, gdy w końcu natkną się na siebie.
Rezultat: największe trzęsienia ziemi na świecie, wstrząsające zarówno dnem morskim, jak i lądem, i generujące tsunami o wysokości co najmniej 30 metrów. Taka usterka u wybrzeży Japonii spowodowała katastrofę nuklearną w Fukushimie w 2011 roku. Podobne strefy istnieją między innymi u wybrzeży Alaski, Chile i Nowej Zelandii. Uważa się, że w Cascadii duże trzęsienia ziemi zdarzają się mniej więcej co 500 lat, z dokładnością do kilkuset. Ostatni miał miejsce w 1700 r.
Postępy badawcze w zrozumieniu aktywności sejsmicznej
Naukowcy od dawna pracują nad zrozumieniem podziemnych struktur i mechaniki Strefy Subdukcji Cascadia, aby wyznaczyć miejsca najbardziej podatne na trzęsienia, ich wielkość i jakie znaki ostrzegawcze mogą wywołać. Nie ma czegoś takiego jak przewidzenie trzęsienia ziemi; zamiast tego naukowcy próbują prognozować prawdopodobieństwa wielu scenariuszy, mając nadzieję, że pomogą władzom w opracowaniu przepisów budowlanych i systemów ostrzegawczych, aby zminimalizować szkody, gdy coś się stanie.
Nowo opublikowane badanie obiecuje znaczny postęp w tych wysiłkach. Statek badawczy holujący szereg najnowocześniejszych instrumentów geofizycznych wzdłuż niemal całej strefy wykonał pierwsze kompleksowe badanie wielu złożonych struktur pod dnem morskim. Należą do nich geometria opadającej płyty oceanicznej i leżących nad nią osadów, a także skład nadrzędnej płyty północnoamerykańskiej. Wyniki badania opublikowano niedawno w czasopiśmie Postęp nauki.
„Modele używane obecnie przez agencje publiczne opierały się na ograniczonym zestawie starych danych o niskiej jakości z lat 80. XX wieku” – powiedziała Suzanne Carbotte, geofizyk morski w Uniwersytet KolumbiiObserwatorium Ziemi Lamont-Doherty, który kierował badaniami. „Megaciąg ma znacznie bardziej złożoną geometrię, niż wcześniej zakładano. Badanie zapewnia nowe ramy oceny zagrożenia trzęsieniem ziemi i tsunami”.
Dane zebrano dzięki wsparciu amerykańskiej National Science Foundation podczas 41-dniowego rejsu w 2021 r. statkiem badawczym Lamonta, Marcus G. Langseth. Naukowcy na pokładzie statku penetrowali dno morskie za pomocą potężnych impulsów dźwiękowych i odczytywali echa, które następnie przekształcano w obrazy, nieco przypominające sposób, w jaki lekarze tworzą skany wnętrza ludzkiego ciała.
Nowe spojrzenie na segmentację usterek i ryzyko tsunami
Jedno kluczowe odkrycie: strefa uskoków megathrustowych nie jest tylko jedną ciągłą strukturą, ale jest podzielona na co najmniej cztery segmenty, z których każdy jest potencjalnie w pewnym stopniu odizolowany od ruchów pozostałych. Naukowcy od dawna debatują, czy wydarzenia z przeszłości, w tym trzęsienie z 1700 r., spowodowały pęknięcie całej strefy, czy tylko jej części – jest to kluczowe pytanie, ponieważ im dłuższe pęknięcie, tym większe trzęsienie.
Dane pokazują, że segmenty są podzielone zakopanymi obiektami, w tym dużymi uskokami, których przeciwne strony osuwają się względem siebie prostopadle do brzegu. Może to pomóc w buforowaniu ruchu w jednym segmencie i przełożeniu na następny. „Nie możemy powiedzieć, że to na pewno oznacza, że pękną tylko pojedyncze segmenty lub że na pewno całość ulegnie zniszczeniu na raz” – powiedział Harold Tobin, geofizyk z Instytutu Uniwersytet Waszyngtoński i współautorka badania. „Ale to potwierdza dowód na to, że istnieją segmentowe pęknięcia”.
Zdjęcia sugerują również przyczyny segmentacji: sztywna krawędź nadrzędnej północnoamerykańskiej płyty kontynentalnej składa się z wielu różnych rodzajów skał, powstających w różnym czasie na przestrzeni dziesiątek milionów lat, przy czym niektóre są gęstsze od innych. Ta różnorodność skał kontynentalnych powoduje, że napływająca, bardziej giętka płyta oceaniczna wygina się i skręca, aby dostosować się do różnic w panującym ciśnieniu. W niektórych miejscach segmenty schodzą w dół pod stosunkowo ostrymi kątami, w innych pod płytkimi.
Naukowcy skupili się w szczególności na jednym odcinku, który biegnie od południowej wyspy Vancouver wzdłuż stanu Waszyngton, mniej więcej kończąc się na granicy z Oregonem. Podziemna topografia innych segmentów jest stosunkowo nierówna, z cechami oceanicznymi, takimi jak uskoki i podwodne góry podwodne, ocierające się o górną płytę – elementy, które mogą powodować erozję górnej płyty i ograniczać odległość, jaką trzęsienie może rozprzestrzeniać się w segmencie, ograniczając w ten sposób rozmiar trzęsienia. Natomiast segment Vancouver-Waszyngton jest dość gładki. Oznacza to, że istnieje większe prawdopodobieństwo, że pęknie na całej długości naraz, co czyni go potencjalnie najbardziej niebezpiecznym odcinkiem.
Bieżące badania i implikacje dla bezpieczeństwa regionalnego
Również w tym segmencie dno morskie podsuwa się pod skorupę kontynentalną pod niewielkim kątem w stosunku do pozostałych segmentów. W pozostałych segmentach większość podatnej na trzęsienia ziemi granicy między płytami leży na morzu, ale w tym przypadku badanie wykazało, że płytki kąt subdukcji oznacza, że prawdopodobnie rozciąga się bezpośrednio pod Półwyspem Olimpijskim w Waszyngtonie. Może to zwiększyć wszelkie wstrząsy na lądzie. „Wymaga to znacznie więcej badań, ale w przypadku miejsc takich jak Tacoma i Seattle może to oznaczać różnicę między alarmowaniem a katastrofą” – powiedział Tobin.
Dzięki finansowaniu z US Geological Survey konsorcjum agencji stanowych i federalnych oraz instytucji akademickich już analizuje dane, odkąd stały się dostępne, w celu uporządkowania implikacji.
Jeśli chodzi o zagrożenie tsunami, „nadal jest to kwestia w toku” – stwierdziła Kelin Wang, naukowiec z Kanadyjskiej Służby Geologicznej, który nie był zaangażowany w badanie. Grupa Wanga wykorzystuje te dane do modelowania cech dna morskiego u wybrzeży wyspy Vancouver, które mogą powodować tsunami. (Zasadniczo do tsunami dochodzi, gdy podczas trzęsienia głębokie dno morskie porusza się w górę lub w dół, wysyłając na powierzchnię falę, która koncentruje swoją energię i osiąga wysokość, gdy dociera do płytszych wód przybrzeżnych). Wang powiedział, że jego wyniki zostaną przekazane innej grupie, która modeluje same tsunami, a następnie innej grupie zajmującej się analizą zagrożeń na lądzie.
Jak twierdzą naukowcy, oceny praktyczne, które mogą mieć wpływ na przepisy budowlane lub inne aspekty przygotowania, mogą zostać opublikowane już w przyszłym roku. „Jest tu o wiele więcej złożoności, niż wcześniej przypuszczano” – powiedział Carbotte.
Odniesienie: „Subdukcja struktury płyt i morfologii megathrustu z głębokiego obrazowania sejsmicznego powiązanego z segmentacją pęknięć trzęsienia ziemi w Cascadia” autorstwa Suzanne M. Carbotte, Briana Bostona, Shuoshuo Hana, Brandona Shucka, Jeffreya Beesona, J. Pablo Canalesa, Harolda Tobina, Nathana Millera, Mladen Nedimovic, Anne Tréhu, Michelle Lee, Madelaine Lucas, Hanchao Jian, Danqi Jiang, Liam Moser, Chris Anderson, Darren Judd, Jaime Fernandez, Chuck Campbell, Antara Goswami i Rajendra Gahlawat, 7 czerwca 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adl3198
Badanie zostało sfinansowane przez amerykańską National Science Foundation.
