När du gnuggar händerna mot varandra för att värma dem, friktionen skapar värme. Samma sak händer under jordbävningar, bara i mycket större skala:När ett fel glider, temperaturen kan stiga med hundratals grader, tillräckligt hög för att förändra organiska föreningar i klipporna och lämna en signatur. Ett team av forskare vid Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory har utvecklat metoder för att använda dessa organiska signaturer för att rekonstruera tidigare jordbävningar och utforska var dessa jordbävningar startade och slutade och hur de rörde sig genom förkastningszonen. Informationen kan så småningom hjälpa forskare att bättre förstå vad som styr jordbävningar.

Lamont-geofysikern Heather Savage och geokemisten Pratigya Polissar började utveckla metoderna för ungefär åtta år sedan, bygger på tekniker som används av oljeindustrin. Deras unika sammankoppling av två områden – bergmekanik och organisk geokemi – möjliggjorde innovationer som förändrar hur vi ser på jordbävningar.

Processen börjar på fältet, längs ett förkastning där forskare antingen flisar av eller borrar prover inifrån förkastningszonen. När sediment i en förkastningszon värms upp av friktionen från en jordbävning, den korta men kraftfulla värmeutbrottet förändrar den kemiska sammansättningen av organiskt material inuti berget. (Samma process under långa tidsperioder skapar olja och gas.) Forskare kan undersöka de organiska föreningarna i dessa prover och jämföra förhållandet mellan stabila molekyler och instabila molekyler för att mäta deras termiska mognad och bestämma hur varmt varje prov blev.

"Om ens en liten struktur i ett förkastning har haft en jordbävning, vi kan faktiskt se skillnaden mellan hur varm den där delen av felet blev kontra allt utanför den, ", sa Savage. "Vad vi vill ta reda på är var jordbävningarna i denna stora förkastningszon faktiskt hände. Händer de alla åt ena sidan? Är de fördelade överallt? Är de alla samlade på det svagaste materialet inom förkastningszonen?"

"Vad detta gör är att ge oss en bild, nästan som en värmekarta, av själva felet, och de hetaste platserna är där jordbävningarna inträffade, sa Savage.

När temperaturen är tillräckligt hög, sten kan smälta, skapar glasliknande pseudotachylyter. Geologer har använt dessa smälta bergrester i flera år, men att hitta dem är sällsynt.

Vilde, Polissar, och deras team tittar närmare, till molekylär nivå, där de kan mäta den termiska mognad av vanliga organiska föreningar för att bestämma hur varmt provet blev. De testar ofta för metylfenantrener, organiska molekyler som är ganska vanliga i förkastningar i sedimentära bergarter mellan 1 och 5 kilometer under marken. I djupare fel, cirka 10-14 kilometer ner, forskarna kan leta efter diamanter, som är bland de mest termiskt stabila organiska föreningarna.

För att sätta sina molekylära data i sitt sammanhang, forskarna måste också förstå hur stenar i förkastningen reagerar på värme och tryck. I Lamonts Rock and Ice Mechanics Lab, Savages team kan testa stenprover under ett brett spektrum av höga tryck och temperaturer. Från deras experiment, de kan utveckla modeller som visar hur mycket skjuvspänning och förskjutning som krävs för att generera specifika nivåer av värme i specifika typer av berg, och sedan hur den värmen kommer att sönderfalla genom diffusion.

Genom att använda dessa modeller, forskarna kan sedan titta på den geokemiska analysen av sina prover, bestämma de temperaturer föreningarna utsattes för tidigare, och uppskatta friktionen från jordbävningen och hur långt felet halkade.

Till exempel, när teamet testade prover från Pasagshak Point megathrust på Alaskas Kodiak Island, de mätte förhållandet mellan termiskt stabila diamantoider och termiskt instabila alkaner och fastställde att temperaturen under en tidigare jordbävning skulle ha stigit mellan 840°C och 1170°C över den normala temperaturen för det omgivande berget. Från den temperaturökningen, de kunde uppskatta att jordbävningens friktionsenergi skulle ha varit 105-227 megajoule per kvadratmeter, troligen en jordbävning på magnituden 7 eller 8. Med hjälp av deras experimentella friktionsmätningar, de kunde då uppskatta att felet måste ha halkat 1-8 meter.

På American Geophysical Union Fall Meeting idag i San Francisco, Genevieve Coffey, en doktorand i Savages team på Lamont, presenterade tidiga resultat från deras tester med högsta densitet hittills, som involverar prover tagna i transekter längs Muddy Mountain-dragkraften i Nevada. En överraskning var att de platser där man kunde förvänta sig att se höga temperaturer på grund av de lokala strukturerna i berget inte nödvändigtvis var de platser där de hittade det, sa Coffey. "Strukturell variation längs ett fel indikerar inte nödvändigtvis att slirning har inträffat längs den sektionen, " Hon sa.

Savages team arbetar med liknande experiment vid San Andreas-förkastningen, och skyttegraven i Japan där jordbävningen i Tōhoku började, och de arbetar med kollegor på tekniker för att datera jordbävningarna.

"Det viktiga steget för oss är att bestämma hur var och en av dessa föreningar reagerar på tid och temperatur, ", sa Savage. "Det kommer att berätta för oss om fysiken i jordbävningarna i det förkastningen, vilket på sikt kan leda till en bättre förståelse för jordbävningsrisker."