Jordbävningen i Tohoku-Oki den 11 mars 2011 var den största och mest destruktiva i Japans historia. Japanska forskare – och deras norska partners – jobbar hårt med att försöka förstå vad som gjorde det så förödande.

Den massiva jordbävningen som skakade Japan den 11 mars 2011 dödade mer än 20, 000 personer, vilket gör det till en av de mest dödliga naturkatastroferna i landets historia. Så gott som alla offren drunknade i en tsunami som på sina ställen var mer än 30 meter hög.

Tsunamin förlamade också kärnkraftverket Fukushima Daiichi, orsakar härdsmälta i tre av anläggningens sex reaktorer och släpper ut rekordmängder av strålning till havet. Reaktorerna var så instabila vid ett tillfälle att den tidigare premiärministern, Naoto Kan, senare medgav han att han övervägde att evakuera 50 miljoner människor från Tokyo-regionen. Så småningom, 160, 000 människor var tvungna att lämna sina hem på grund av strålning.

Denna nationella katastrof, Japans största jordbävning någonsin, var en uppmaning till japanska jordforskare. Deras uppdrag:att förstå exakt vad som hände för att göra denna jordbävning så destruktiv. För detta, de vände sig till JAMSTEC, Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology för att undersöka hemligheterna i det 7000 meter djupa Japan Trench, temblors epicentrum.

Under de fem år som gått sedan katastrofen, forskare har hittat spännande ledtrådar om vad som gjorde skalvet så farligt. Norsk petroleumexpertis från arbetet på den norska kontinentalsockeln hjälper nu till att avslöja nya detaljer när forskare fortsätter att försöka förstå vilka faktorer som bidrar till att göra en jordbävning i denna region riktigt stor. Genom att göra så, de hoppas kunna bättre förutsäga omfattningen och platsen för framtida skalv och tsunamier.

Ett virrvarr av tektoniska plattor

Japan ligger på vad som kan vara en av de farligaste platserna som är möjliga när det kommer till jordbävningar. Den norra delen av landet ligger på en bit av den nordamerikanska plattan, medan den södra delen av landet ligger på den eurasiska plattan. I norr, Stillahavsplattan glider under den nordamerikanska plattan, medan i söder, den eurasiska plattan rider över Filippinska havets plattan. När en platta rör sig i förhållande till en annan, rörelsen kan utlösa en jordbävning och tsunami.

Det komplexa virrvarret av tektoniska plattor förklarar varför ungefär 1, 500 jordbävningar rasslar landet varje år, och varför det är hem för 40 aktiva vulkaner – 10 procent av världens totala.

Med tanke på att Japan upplever så många jordbävningar, skalvet som skakade landet på eftermiddagen den 11 mars var inte helt oväntat. Faktiskt, forskare förutspådde att regionen skulle se en jordbävning på 7,5 magnitud eller mer under de kommande 30 åren.

Jordbävningar är rutinmässiga nog i Japan för att landet har strikta byggregler för att förhindra skador. De flesta stora byggnader slingrar sig och svajar med jordens skakningar – en man i Tokyo sa till BBC att rörelserna i hans arbetsplatsskyskrapa under jordbävningen 2011 var så kraftiga att han kände sig sjösjuk – och till och med kärnkraftverket Fukushima Daiichi skyddades av 10- meterhög strandvall.

Ändå gjorde en kombination av faktorer jordbävningen i Tohoku-Oki större och med en mer dödlig tsunami än forskarna förväntade sig. Men vad?

"Detta är vad vi vill förstå - och för att mildra, " säger Shin'ichi Kuramoto, Generaldirektör för Center for Deep Earth Exploration vid JAMSTEC. "Varför uppstår dessa stora jordbävningar?"

En riktigt stor slip

JAMSTEC-forskare mobiliserade nästan omedelbart efter katastrofen, och skickade sitt 106 meter långa forskningsfartyg RV Kairei till skalvets epicentrum bara några dagar efter att det inträffade.

I lite över två veckor, fartyget kryssade över Japan Trench utanför Honshus kust. Syftet var att skapa en batymetrisk bild av havsbotten och att samla in reflektionsseismisk data, vilket gör att forskare kan titta in i sedimenten och stenarna under havsbotten.

En efterföljande kryssning av JAMSTEC:s RV Kaiyo 7-8 månader efter jordbävningen samlade in ytterligare högupplösta seismiska reflektionsbilder i området. Lyckligtvis, forskarna hade också data från en liknande studie som hade gjorts 1999 i samma region.

Uppgifterna visade dem att havsbotten på land i dikeområdet halkade så mycket som 50 meter horisontellt, sa Yasuyuki Nakamura, Biträdande gruppledare i JAMSTEC:s Center for Earthquake and Tsunami Structural Seismology Group.

"Det här var en stor halka i skyttegravsaxelområdet, " sa han. "Som jämförelse, jordbävningen i Kobe 1995, som dödade mer än 6000 människor och var en magnitud 7,3, hade en genomsnittlig glidning på 2 meter."

Ytterligare en jordbävning med magnitud 8 1946 i Nankai-området i södra Japan som förstörde 36, 000 bostäder hade en maximal glidning på 10 meter, sa Nakamura.

"Så du kan se att 50 meter är ett väldigt stort snedsteg, " sa han. Det i sig förklarar delvis varför tsunamivågen var så stor, han sa.

Skapa bilder med hjälp av ljudvågor

När Martin Landrø, en geofysiker vid Norges teknisk-naturvetenskapliga universitet (NTNU), läste om den japanska jordbävningen och fick reda på att hans japanska motsvarigheter hade samlat in seismisk data från både före och efter skalvet, han tänkte att han kanske kunde erbjuda lite hjälp.

I mer än 20 år, Landrø har arbetat med att tolka och visualisera seismiska data. Oljebolag och geofysiker använder rutinmässigt detta tillvägagångssätt för att samla in information om geologin under havsbotten. Landrø har studerat allt från att sätta seismisk data i arbete för att upptäcka nya undervattensreservoarer till att visualisera vad som händer med CO2 som injiceras i en undervattensreservoar, som nu görs på Sleipnerfältet i Nordsjön.

Det fungerar så här:ett fartyg seglar längs en rak linje i 100 kilometer eller mer, och använder luftgevär för att skicka en akustisk signal var 50:e meter medan fartyget seglar med. Fartyget drar också en lång kabel bakom sig för att registrera de akustiska signalerna som reflekteras tillbaka av sedimenten och berggrunden under havsbotten. Enkelt uttryckt, hårdare material reflekterar signaler tillbaka snabbare än mjukare material.

Geologer kan skapa en tvådimensionell bild, ett tvärsnitt av geologin under havsbotten, genom att dra en lång kabel bakom ett fartyg. En tredimensionell bild kan skapas genom att dra ett antal kablar med sensorer på dem och i huvudsak kombinera en serie tvådimensionella bilder till en tredimensionell.

En mycket speciell typ av seismisk data, dock, kallas 4-D, där den fjärde dimensionen är tid. Här, geofysiker kan kombinera 2D-bilder från olika tidsperioder, eller 3D-bilder från olika tidsperioder för att se hur ett område har förändrats över tiden. Det kan vara mycket komplicerat, speciellt om olika system har använts för att samla in seismiska data från de två olika tidsperioderna. Men 4-D seismisk analys är Landrøs specialkompetens.

Från Nordsjöns oljereservoarer till Japan Trench

Landrø kontaktade Shuichi Kodaira, chef för JAMSTEC:s Center for Earthquake and Tsunami, och sa att han ville se om några av de tekniker som hade använts för petroleumrelaterade ändamål kunde användas för att förstå stressförändringar relaterade till jordbävningar. Kodaira höll med.

Sedan var det bara att hämta data och "bearbeta den, Landrø sa, att göra de två olika tidsperioderna så jämförbara som möjligt.

"Vi kunde då uppskatta rörelser och förändringar orsakade av jordbävningen på havsbotten och under havsbotten, " sa Landrø.

Efter nästan ett år av att arbeta på distans tillsammans med data, Landrø och hans norska kollegor flög till Japan i november 2016 för att träffa sina japanska motsvarigheter för första gången. De håller nu på att tillsammans skriva en vetenskaplig artikel för publicering, så han är ovillig att beskriva deras nya fynd i detalj innan de publiceras.

"Det slutliga målet här är att förstå vad som hände under jordbävningen på ett så detaljerat sätt som möjligt. Den stora bilden är mer eller mindre densamma, ", sa Landrø. "Det är mer som att vi tittar på mindre detaljer som kan vara viktiga med en teknik som har använts i oljeindustrin i många år. Kanske får vi se några detaljer som inte har setts tidigare."

Ett system för tidig varning

Landrø är också intresserad av ett system som JAMSTEC har installerat i havet utanför den södra delen av landet, kallat Dense Oceanfloor Network-systemet för jordbävningar och tsunamis, mer känd som DONET.

DONET-systemet (av vilket det nu finns två) är en serie länkade trycksensorer installerade på havsbotten i Nankai-tråget, ett område som har drabbats av upprepade farliga jordbävningar, Sa Nakamura från JAMSTEC.

Nankai-tråget ligger där den filippinska havets plattan glider under den eurasiska plattan med en hastighet av cirka 4 cm per år. I allmänhet, det har förekommit stora jordbävningar längs tråget var 100:e till 150:e år.

DONET 1 innehåller också en serie seismometrar, lutningsmätare och töjningsindikatorer som installerades i en grop 980 meter under ett känt jordbävningscentrum i Nankai-tråget. Sensorerna från gropen och från havsbotten ovan är alla länkade i ett nätverk av kablar som skickar realtidsobservationer till övervakningsstationer och till lokala myndigheter och företag.

Väsentligen, om det finns tillräckligt stor rörelse för att orsaka en jordbävning och tsunami, sensorerna kommer att rapportera det. JAMSTEC-forskare har genomfört studier som visar att DONET-nätverket kunde upptäcka en kommande tsunami så mycket som 10 till 15 minuter tidigare än landbaserade detektionsstationer längs kusten. Dessa extra minuter kan betyda att tusentals liv räddas.

"Ett av huvudsyften här är att tillhandahålla ett tsunamivarningssystem, ", sa Nakamura. "Vi har samarbetat med lokala myndigheter för att fastställa detta."

Andra applikationer en möjlighet

Landrø säger att han tror att användning av tekniker från 4-D seismisk avbildning också skulle kunna användas med data som samlats in av alla DONET-sensorer.

DONET-metoden, eller någon variant av det, kan också vara användbart i framtiden eftersom Norge och andra länder utforskar att använda oljereservoarer för att lagra CO2. En av de största problemen med att lagra CO2 i undervattensreservoarer är att övervaka lagringsområdet för att säkerställa att CO2 förblir på plats. Ett övervakningssystem i DONET-stil kan vara av intresse här, sa Landrø.

Landrø säger också att han tror att tekniker från 4-D seismisk avbildning skulle kunna användas med data som samlats in av alla DONET-sensorer för att få en bättre förståelse för hur området förändras över tiden.

DONET "är passiv data, lyssnar på stenen, ", sa Landrø. "Men här kan du också använda några av samma tekniker som för 4-D-analys för att lära dig mer."