Varför kändes en jordbävning i Virginia på mer än dubbelt så långt avstånd som en jordbävning av liknande storlek i Kalifornien? Svaret är ett som många kanske inte inser. Jordbävningar öster om Klippiga bergen kan orsaka märkbara markskakningar på mycket längre avstånd än jordbävningar av jämförbar storlek i väst.

En jordbävning med magnituden 5,8 2011 i Mineral, Virginia, kändes upp till 600 miles från epicentrum. Tiotals miljoner människor i östra USA och sydöstra Kanada kände denna jordbävning.

För jämförelse, en jordbävning på magnituden 6,0 2014 i Napa, Kalifornien, kändes bara så långt som 250 miles från epicentret. Trots att jordbävningen i Napa släppte ut ungefär dubbelt så mycket energi som jordbävningen i Virginia och orsakade mycket mer skada nära epicentrum, det kändes inte alls lika långt borta.

Som ett annat exempel, jordbävningen på magnituden 4,1 som inträffade i december 2017 nära Dover, Delaware, kändes ungefär 200 miles från epicentret. Regionen som kände denna jordbävning är ungefär lika stor som den för den mycket större händelsen i Kalifornien, som frigjorde cirka 700 gånger mer energi.

Forskare undersöker en mängd olika faktorer som påverkar regionala skillnader i intensitet och effekter av jordbävningar. Några av faktorerna har att göra med de underliggande tektoniska plattornas natur och deras geologiska historia. Andra är kopplade till byggnaders storlek och ålder.

Seismiska vågor kan färdas längre i öster

Östra Nordamerika har äldre stenar, av vilka några bildades hundratals miljoner år före de i väst. Dessa äldre formationer har utsatts för extrema tryck och temperaturer, gör dem hårdare och ofta tätare. Förkastningar i dessa äldre bergarter har också fått mer tid att läka, vilket gör att seismiska vågor kan passera dem mer effektivt när en jordbävning inträffar.

I kontrast, stenar i väst är yngre och uppdelade av förkastningar som ofta är yngre och har haft mindre tid att läka. Så när en jordbävning inträffar, mer av den seismiska vågenergin absorberas av felen och energin sprids inte lika effektivt.

Mer sårbar infrastruktur i öst

Många av de äldre strukturerna i öst, såsom byggnader och broar byggda före 1970-talet, var inte utformade för att uthärda jordbävningar och kan därför inte klara sig bra. De senaste jordbävningarna som inträffade nära Christchurch, Nya Zeeland visade den skada som sällsynta jordbävningar kan göra i en region med äldre strukturer. Med det sagt, moderna byggnader byggs enligt nyare designstandarder, och det har gjorts framsteg med att eftermontera många äldre byggnader i öst. I väst, äldre strukturer är ofta eftermonterade, och nya strukturer är designade för att tåla kraftiga skakningar.

Vidare, mindre strukturer som hus kan uppleva starkare och mer skadliga skakningar i öst. Jordbävningar i öst tenderar att orsaka skakningar med högre frekvens - snabbare fram och tillbaka rörelser - jämfört med liknande händelser i väst. Kortare strukturer är mer mottagliga för skador vid snabb skakning, medan högre strukturer är mer mottagliga vid långsam skakning.

Överraskande skakningsnivå i Washington, DC

Ett exempel på jordbävningsrisken i östra USA är den överraskande nivån av högintensiv markskakning som inträffade i Washington, DC, under jordbävningen i Virginia 2011. Denna skakning orsakade väl omtalade skador på vissa historiska byggnader, även om jordbävningen var måttlig till storleken och dess epicentrum låg 80 mil från staden.

Att lära sig mer, USGS-forskare använde 27 tillfälliga seismometrar i hela DC för att studera variationer i styrkan hos jordbävningsmarkskakning. Instrumenten registrerade markrörelser från 30 jordbävningar runt om i världen under de 10 månader de var på plats.

Forskare bekräftade att skakning förstärks i de delar av DC som ligger under av ett tunt lager av sediment jämfört med områden byggda på mer solid, hårdare berggrund. Detta beror på att energin i de seismiska vågorna kan flytta tändaren, svagare sediment lättare än den hårdare berggrunden, och den energin blir "fångad" och ekar flera gånger i sedimenten.

Även om denna förstärkningseffekt har dokumenterats väl i vissa västerländska städer, inklusive Seattle, Los Angeles och San Francisco, detta är den första studien som direkt mäter effekten i landets huvudstad. Det misstänktes tidigare inträffa i Washington, DC, och hade hittats i andra städer som Boston.

Andra större städer i centrala och östra USA med liknande geologi som kan leda till förstärkt markskakning inkluderar Trenton, New Jersey; Wilmington, Delaware; Baltimore, Maryland; Richmond, Virginia; och Columbia, South Carolina. Liknande fyndigheter ligger också bakom städer i Mississippi Valley och Gulf Coast, särskilt Memphis, Tennessee, nära New Madrid Seismic Zone.

De nya resultaten om förstärkning och den mer effektiva energiöverföringen i öst är en del av en ökad förståelse och medvetenhet om jordbävningsrisker i centrala och östra amerikanska städer. Denna information är särskilt användbar för ingenjörer och arkitekter när de designar byggnader och eftermonterar befintliga strukturer.

Utmaningar med att bedöma jordbävningsrisker i öst

Geologin i östra USA och den relativt sparsamma historien om jordbävningar att studera gör det svårt för forskare att bedöma hur ofta jordbävningar kommer att inträffa och hur stora de kan bli. Östra jordbävningar är mer av ett mysterium eftersom de inte äger rum vid en plattgräns där de flesta andra jordbävningar har sitt ursprung. Forskare förstår inte helt tillståndet av stress inom tektoniska plattor, och de studerar hur spänningar ackumuleras och utvecklas och hur jordbävningar utlöses.

Forskare vet inte heller exakt var de flesta aktiva förkastningarna finns i öst. De flesta förkastningar har inte haft några större jordbävningar eller rörelser under de senaste miljoner åren, och de förkastningar som är aktiva kan bara ha jordbävningar med några tusen eller tiotusentals år. Vidare, alla bevis på tidigare jordbävningar på landets yta i östra USA är ofta skymd av vegetation eller är mer dämpad på grund av erosion.

Omvänt, väst har mer aktiva förkastningar och många områden med gles vegetation, vilket betyder att jordbävningar kan lämna tydliga markeringar som informerar forskning om jordbävningshistoria, storlek och effekter.

Pågående forskning

National Science Foundation och USGS lade nyligen till nya seismiska stationer i centrala och östra USA, skapa ett mer robust nätverk som förstärker övervakningen av universitetspartners. USGS-forskare arbetar också med universitetssamarbetspartners i flera forskningsprojekt. Till exempel, de söker igenom delar av Virginia och Carolinas efter bevis på kraftiga jordbävningar i det förflutna, övervakar jordbävningar och studerar förkastningar nära jordbävningen 2011 i Virginia och 1886 års jordbävning i Charleston, South Carolina, och utför detaljerade studier av den seismiskt aktiva centrala Virginia-regionen.

Forskare kan inte förutsäga jordbävningar

När det gäller att förutsäga jordbävningar, ingen tillförlitlig metod för kortsiktig jordbävningsprediktion har någonsin utvecklats. Inte heller förväntar sig forskarna att utveckla en metod inom överskådlig framtid. Dock, med hjälp av vetenskapliga data – såsom förkastningsplatser och jordbävningsmönster under många år – kan sannolikheter beräknas för framtida jordbävningar, och att informationen används vid utveckling av byggnormer. Vidare, USGS och dess partners arbetar med att utveckla en prototyp för tidig varningssystem för jordbävningar för USA:s västkust som heter ShakeAlert. Systemet förutsäger inte jordbävningar, men när en jordbävning inträffar, det kan ge några sekunder till tiotals sekunders varning innan seismiska vågor anländer och orsaka kraftiga skakningar.

Fler jordbävningar i väst

Västra USA ligger längs gränserna för stora tektoniska plattor som utgör jordskorpan – den nordamerikanska plattan och havsplattorna i väster. Dessa plattor rör sig mot varandra, bryta upp skorpan längs många förkastningar som San Andreas-förkastningen. Förkastningar i öst är mindre aktiva och ligger helt och hållet inom den nordamerikanska plattan.

Ett av de viktigaste takeaway-budskapen är att alla ska veta hur man skyddar sig under en jordbävning. Kolla in FEMAs Ready-kampanj för tips om jordbävningsberedskap.