Geovetenskapsforskare vid University of Massachusetts Amherst, Smith College och Japanese Agency for Marine-Earth Science and Technology presenterade denna vecka nya, GPS-baserade metoder för modellering av jordbävningsinducerade tsunamier för sydöstra Japan längs Nankai-tråget. En Nankai-inducerad tsunami kommer sannolikt att drabba där under de närmaste decennierna, säger huvudförfattaren Hannah Baranes vid UMass Amherst, och har potential att fördriva fyra gånger antalet människor som drabbades av den massiva Tohoku-tsunamin 2011.

Hon och hennes doktorandrådgivare Jonathan Woodruff, med Smith College professor Jack Loveless och Mamoru Hyodo vid den japanska byrån rapportera detaljer i strömmen Geofysiska forskningsbrev . Baranes säger, "Vi hoppas att vårt arbete kommer att öppna dörren för att tillämpa liknande tekniker på andra håll i världen."

Som hon förklarar, efter det oväntat förödande jordbävningen och tsunamin 2011, Japans regering efterlyste riskbedömningsforskning för att definiera landets värsta scenarier för jordbävningar och tsunamier. Baranes noterar, "Regeringens riktlinjer har fokuserat uppmärksamheten på Nankai-tråget. Det är ett fel utanför södra Japan som förutspås generera en jordbävning av magnituden 8 till 9 inom de närmaste decennierna."

Teamets forskning, med stöd av National Science Foundation och en NASA -forskarstipendium, började med en studie av kustnära sjösediment i Japan för att etablera långsiktiga register över tsunamiöversvämningar. Mellan 2012 och 2014, Baranes och Woodruff samlade sedimentkärnor från sjöar, letar efter marina sandlager som sköljts på land av tidigare extrema kustöversvämningar. "Dessa sandavlagringar fångas och bevaras på botten av kustsjöar, " säger hon. "Vi kan besöka dessa platser hundratals eller till och med tusentals år senare och hitta geologiska bevis för tidigare stora översvämningshändelser."

Resultat från Lake Ryuuoo, en liten sjö på en ö i Bungo Channel, visa ett överraskande sandlager som sköljts in i Ryuuoo-sjön av havsvatten som forsar över en 13 fot hög barriärstrand. "Vi kunde datera lagret till tidigt 1700-tal, vilket är förenligt med den kända tsunaminhändelsen i Nankai Trough från 1707, säger Baranes.

Hon tillägger, "Vi var lite förbryllade. Bungo-kanalen är inbäddad mellan två av Japans huvudöar och är relativt skyddad från tsunamisgenererade tsunamier från Nankai. Med tanke på de senaste tsunamis i regionen, en tsunami på minst 13 fot i kanalen verkade mycket osannolik." Vidare, hon påpekar, Bungokanalområdet har idag mycket känslig och kritisk infrastruktur, inklusive det enda kärnkraftverket på ön Shikoku. Detta gav forskarna "särskild oro" för tsunamifaran där, så de bestämde sig för att undersöka deras ursprungliga fynd ytterligare med hjälp av numeriska modelleringstekniker.

Som Baranes förklarar, en jordbävning orsakas av att plattor glider förbi varandra längs förkastningar i jordskorpan. Den glidningen gör att jordens yta deformeras, att höja sig på vissa ställen och sjunka, eller avta, i andra. "När jordbävningsinducerad höjning sker på havsbotten, den förskjuter hela vattenkolonnen ovanför den och genererar den våg som vi kallar en tsunami, " tillägger hon. "Vi kan simulera den processen med numeriska modeller."

Hon och Woodruff försökte använda en av de mest citerade modellerna för jordbävningen i Nankai Trough 1707 för att översvämma Lake Ryuuoo, men detta genererade bara en sex fots tsunami som inte kom i närheten av att överträffa den 13 fot långa barriärstranden.

"Vid det tillfället, vi var fortfarande förbannade, " säger Baranes. "Men det dröjde inte länge innan vi hade en lycka till att lära oss att en ledande expert på tektonisk modellering i Japan, Jack Loveless, är professor precis vid Smith College." Loveless använder mycket exakta GPS-mätningar av jordytans rörelse för att modellera omfattningen och den rumsliga fördelningen av friktionslåsning som gör att förkastningsspänningar byggs upp mellan jordbävningar.

Med Loveless, Teamet skapade jordbävningsscenarier baserade på GPS-uppskattningar av dagens friktionslåsning längs Nankai-tråget och testade för första gången rigoröst metoder för att skapa potentiella framtida jordbävningsscenarier från GPS-mätningarna. De testade olika metoder för att skapa en uppsättning GPS-baserade jordbävningsscenarier och simulerade den resulterande markytans förskjutning och tsunamin översvämning.

Baranes rapporterar att de fann att GPS-mätningar av dagens rörelser på jorden runt Nankai-tråget ger en jordbävning av samma storlek och omfattning som händelsen 1707, och deras simulerade tsunamihöjder överensstämmer med historiska berättelser om händelsen 1707. När det gäller att matcha Lake Ryuuoo geologiska rekord, lägger hon till, "Våra jordbävningsmodellscenarier visade att Bungo Channel-regionen sjönk sju fot och sänkte Lake Ryuuoos barriärstrand från 13 till sex fot, så att en tsunami med en möjlig höjd för en inlandsregion lätt översvämmade sjön."

Myskmadra, som genomförde studien som en del av ett Fulbright-stipendium, säger, "Även om vår metod blev väl mottagen, vårt resultat för Bungo Channel möttes av mycket skepsis. Vi behövde hitta en oberoende metod för att validera det." De anlitade Hyodo, som tidigare hade publicerat jordbävningsscenarier baserade på modeller av Nankai-trågets fysiska egenskaper. Hans fysiska modell gav samma fokuserade sänkning i Bungo Channel, Woodruff rapporterar.

Baranes tillägger, "Hans modell överensstämde också med vår GPS-baserade modell när det gäller jordbävningens magnitud, markytans förskjutning och tsunamiöversvämning. Detta var ett riktigt snyggt resultat, förutom att tillhandahålla en oberoende bevislinje för betydande tsunamifara i Bungo -kanalen, vi visade ett samband mellan Nankai Troughs fysiska egenskaper och GPS -mätningar av ytrörelse. "