I efterdyningarna av den förödande jordbävningen i Tohoku-Oki som drabbade Japans kust i mars 2011, seismologer chockades av de oöverträffade 50 meter långa grunda förskjutningarna längs förkastningen, som sprack ända upp till havsbottens yta. Denna extrema halka på grunt djup förvärrade den massiva tsunamin som tillsammans med jordbävningen på magnituden 9,1, orsakade omfattande skador och förluster av liv i Japan.

I en ny studie, publicerad 27 januari in Naturkommunikation , forskare använde en ny teknik för att studera felen i Japan Trench, subduktionszonen där jordbävningen i Tohoku-Oki inträffade. Deras fynd avslöjar en lång historia av stora jordbävningar i denna förkastningszon, där de hittade flera fel med bevis på mer än 10 meters halka under stora jordbävningar.

"Vi hittade bevis på många stora jordbävningar som har spruckit till havsbotten och som kan ha genererat tsunamier som den som inträffade 2011, " sa medförfattaren Pratigya Polissar, docent i havsvetenskaper vid UC Santa Cruz.

Japanska forskare som tittar på sedimentavlagringar på land har hittat bevis på att minst tre liknande tsunamier har inträffat i denna region vid ungefär 1, 000-års intervall. Den nya studien tyder på att det har förekommit ännu fler stora jordbävningar i denna förkastningszon än de som lämnade efter sig bevis på stora tsunamier på land, sa medförfattaren Heather Savage, docent i jord- och planetvetenskap vid UC Santa Cruz.

Savage och Polissar har utvecklat en teknik för att bedöma historien om jordbävningsglidning på ett förkastning genom att analysera organiska molekyler fångade i sedimentära bergarter. Ursprungligen syntetiserad av marina alger och andra organismer, dessa "biomarkörer" förändras eller förstörs av värme, inklusive friktionsuppvärmningen som uppstår när ett fel glider under en jordbävning. Genom omfattande laboratorietester under det senaste decenniet, Savage och Polissar har utvecklat metoder för att kvantifiera den termiska utvecklingen av dessa biomarkörer och använda dem för att rekonstruera temperaturhistoriken för ett fel.

Japan Trench Fast Drilling Project (JFAST) borrade in i förkastningszonen 2012, utvinna kärnor och installera ett temperaturobservatorium. UCSC seismolog Emily Brodsky hjälpte till att organisera JFAST, vilket gav den första direkta mätningen av friktionsvärmen som producerades av förkastningen under en jordbävning (se tidigare berättelse). Denna värme försvinner efter jordbävningen, dock, så signalen är liten och övergående.

"Biomarkörerna ger oss ett sätt att upptäcka permanenta förändringar i berget som bevarar ett rekord av uppvärmning på förkastningen, sa Savage.

För den nya studien, forskarna undersökte JFAST-kärnorna, som sträckte sig genom förkastningszonen in i subduktionsplattan nedanför. "Det är en komplex förkastningszon, och det var många fel i hela kärnan. Vi kunde säga vilka förkastningar som hade bevis på stora jordbävningar tidigare, sa Savage.

Ett av deras mål var att förstå huruvida vissa bergarter i förkastningszonen var mer benägna att ha kraftigt glid i en jordbävning än andra bergarter. Kärnorna passerade genom lager av lerstenar och leror med olika friktionsstyrkor. Men biomarkörsanalysen visade tecken på stor seismisk glidning på förkastningar i alla olika bergarter. Forskarna drog slutsatsen att skillnader i friktionsegenskaper inte nödvändigtvis avgör sannolikheten för stor grund glidning eller seismisk fara.

Savage och Polissar började arbeta med biomarkörstekniken som postdoktorala forskare vid UC Santa Cruz, publicerade sin första uppsats om det med Brodsky 2011. De fortsatte att utveckla den som forskare vid Lamont-Doherty Earth Observatory vid Columbia University, innan han återvände till UC Santa Cruz som fakultetsmedlemmar 2019. Hannah Rabinowitz, den första författaren till den nya tidningen, arbetade med dem som doktorand vid Columbia och är nu på U.S. Department of Energy.

"Vi har testat den här tekniken i olika bergarter med olika åldrar och uppvärmningshistorik, och nu kan vi säga ja, det var en jordbävning på detta förkastning, och vi kan se om det fanns en stor eller många små, ", sa Savage. "Vi kan nu ta den här tekniken till andra fel för att lära oss mer om deras historia."

Förutom Rabinowitz, Vilde, och Polissar, medförfattarna till uppsatsen inkluderar Christie Rowe och James Kirkpatrick vid McGill University. Detta arbete finansierades av National Science Foundation. JFAST-projektet sponsrades av International Ocean Drilling Program (IODP).