Hur bildas berg? Vilka krafter behövs för att skapa en bassäng? Varför darrar och skakar jorden?

Jordforskare driver dessa grundläggande frågor för att få en bättre förståelse av vår planets djupa tidigare och nuvarande verksamhet. Deras upptäckter hjälper oss också att planera för framtiden genom att förbereda oss för jordbävningar, bestämma var man ska borra efter olja och gas, och mer. Nu, i en ny, utökad karta över de tektoniska spänningar som verkar på Nordamerika, Stanford-forskare presenterar den hittills mest heltäckande bild av krafterna som spelar under jordens yta.

Resultaten, publiceras i Naturkommunikation den 23 april, har implikationer för att förstå och mildra problem i samband med inducerad seismicitet – jordbävningar orsakade av människor – från okonventionell olje- och gasutvinning, speciellt i Oklahoma, Texas och andra områden som är inriktade på energiutforskning. Men de ställer också en helt ny uppsättning frågor som forskarna hoppas ska stimulera ett brett utbud av modelleringsstudier.

"Att förstå krafterna i jordskorpan är grundläggande vetenskap, " sa studiens medförfattare Mark Zoback, Benjamin M. Page professor i geofysik vid Stanfords School of Earth, Energi- och miljövetenskap (Stanford Earth). "I vissa fall, den har omedelbar tillämpning, i andra, den kan tillämpas decennier senare på praktiska frågor som inte finns idag."

Första kontinentala syntesen av data

Den nya forskningen ger den första kvantitativa syntesen av förkastningar över hela kontinenten, samt hundratals mätningar av tryckspänningsriktningar – den riktning från vilken det största trycket sker i jordskorpan. Kartan har tagits fram genom att sammanställa nya och tidigare publicerade mätningar från borrhål samt slutsatser om typer eller "stilar" av förkastningar baserade på jordbävningar som har inträffat tidigare.

De tre möjliga stilarna av förkastning inkluderar extensional, eller normala fel, i vilken skorpan sträcker sig horisontellt; släpfel, där jorden glider förbi sig själv, som i San Andreas felet; och omvänd, eller dragkraft, förkastning där jorden rör sig över sig själv. Var och en orsakar mycket olika skakning ur risksynpunkt.

"På våra farokartor just nu, på de flesta ställen, vi har inga direkta bevis på vilken typ av jordbävningsmekanismer som kan inträffa, sa Jack Baker, en professor i byggnads- och miljöteknik som inte var involverad i studien. "Det är spännande att vi har bytt från detta blinda antagande om att allt är möjligt till att ha några platsspecifika slutsatser om vilka typer av jordbävningar vi kan förvänta oss."

Zoomar in

Förutom att presentera en vy på kontinentnivå av processerna som styr den nordamerikanska plattan, data – som innehåller nästan 2, 000 stressorienteringar, 300 av dem är nya i den här studien – ger regionala ledtrådar om underytans beteende.

"Om du känner till en orientering av något fel och tillståndet av stress i närheten, du vet hur sannolikt det är att misslyckas och om du bör oroa dig för det i både naturligt utlösta och industriutlösta jordbävningsscenarier, " sa huvudförfattaren Jens-Erik Lund Snee, Ph.D. '20, nu postdoktor vid United States Geological Survey (USGS) i Lakewood, Colorado. "Vi har detaljerat några platser där tidigare publicerade geodynamiska modeller stämmer mycket väl överens med de nya uppgifterna, och andra där modellerna inte alls stämmer överens."

I östra USA, till exempel, den typ av förkastning som avslöjas av studien är exakt motsatsen till vad som skulle förväntas då ytan sakta "återhämtar sig" efter smältningen av inlandsisarna som täckte större delen av Kanada och norra USA ett 20-tal, 000 år sedan, enligt Lund Snee. Upptäckten att återhämtningsspänningarna är mycket mindre än de som redan lagrats i jordskorpan från plattektoniken kommer att främja forskarnas förståelse av jordbävningspotentialen i det området.

I västra USA, forskarna blev förvånade över att se förändringar i stresstyper och orienteringar över korta avstånd, med stora rotationer som inträffar över bara tiotals miles - en egenskap som nuvarande modeller av jordens dynamik inte avslöjar.

"Det är bara mycket tydligare nu hur stress systematiskt kan variera på skalan av en sedimentbassäng i vissa områden, ", sa Zoback. "Vi ser saker vi aldrig sett förut som kräver geologisk förklaring. Detta kommer att lära oss nya saker om hur jorden fungerar."