I juni 2019 inträffade en jordbävning med magnituden 4,0 under Lake Erie strax utanför Ohios strandlinje, cirka 20 mil nordost om Cleveland.

Även om inga skador rapporterades, kändes undervattensbävningen allmänt upp till 60 mil bort – i hela nordöstra Ohio och i delar av Pennsylvania, Ontario och sydöstra Michigan.

Skalvet och de många efterskalv inträffade nära slutet av en period av rekordstora ökningar av Great Lakes vattennivåer och sammanföll med den högsta vattennivån som någonsin registrerats i Lake Erie. Kan det finnas ett samband mellan Lake Erie seismicitet och fluktuerande vattennivåer i sjön?

För att ta reda på det sammanställde forskare från University of Michigan och deras kollegor en ny katalog över 437 relativt små jordbävningar i Lake Erie-området som inträffade mellan 2013 och 2020 - den mest kompletta sådan katalog som någonsin erhållits. Alla skalven var mindre än händelsen i juni 2019, och de flesta märktes sannolikt inte av invånarna i regionen.

Sedan beräknade forskarna de påfrestningar som skiftande vattennivåer i Lake Erie skulle ge förkastningar i klipporna under sjön och använde olika statistiska metoder för att leta efter en korrelation mellan jordbävningshastigheter och vattennivåer.

Deras dom?

"Ingen avgörande korrelation kunde fastställas mellan jordbävningshastighet och vattennivå eller vattennivåförändringshastighet", säger U-M geofysiker Yihe Huang, medförfattare till en studie publicerad online den 9 maj i tidskriften Seismological Research Letters .

Avsaknaden av en rykande pistol kan delvis bero på det begränsade antalet jordbävningar i den nya katalogen, enligt forskarna. Dessutom är Lake Erie-inducerade stressförändringar på närliggande jordbävningsförkastningar sannolikt 10- eller 100-tals gånger mindre än de som ses på platser – som reservoaren bakom Indiens massiva Koyna Dam – där jordbävningar har skyllts på ändrade vattennivåer.

"Vi kan inte helt utesluta effekten av att öka vattennivån på att återaktivera de förkastningar som var värd för jordbävningssekvensen i Ohio 2019", säger studiens huvudförfattare Dongdong Yao, en tidigare UM-postdoktor som nu är vid China University of Geosciences.

"Våra resultat visar på nödvändigheten av tätare och närmare övervakning av sjöseismicitet för att ytterligare undersöka effekten av ändrad vattenbelastning på återaktivering av grunda förkastningar i denna region."

För att följa upp sina upptäckter kommer Huang och hennes kollegor att använda nya tekniker för att övervaka Great Lakes regional seismologi och kommer att genomföra fysikbaserade simuleringar. Närmare bestämt:

• Huang och UM-seismologen Zack Spica planerar ett fältexperiment i sommar för att omvandla en befintlig fiberoptisk kabel i Lake Ontario till sensorer som bättre kan övervaka seismicitet och andra fenomen som seicher, bottenströmmar eller vattennivåförändringar. Tidigare studier i andra delar av landet har visat potentialen för att använda befintliga nätverk av fiberoptiska kablar – samma optiska fibrer som levererar höghastighetsinternet och HD-video till våra hem – för att studera jordbävningar.
• Huang och kollegor kommer att simulera de ytterligare påfrestningarna på jordbävningsförkastningar i Lake Erie-området som orsakas av höga vattennivåer, såväl som i vilken grad sjövatten som tränger in i berggrunden kan hjälpa till att smörja dessa förkastningar. "Dessa två effekter kan konkurrera med varandra i naturen, och de fysikbaserade simuleringarna kan hjälpa oss att avgöra vilken effekt som är viktigare", sa hon.

Dessutom analyserar Huang och hennes team fortfarande data från ett nätverk av åtta seismometrar, känt som LEEP-projektet för Lake Erie Earthquake Experiment, som de opererade i det västra hörnet av Lake Erie från oktober 2018 till juli 2021.

Området vid de stora sjöarna anses allmänt vara seismiskt inaktivt, och jordbävningar av magnitud 5 eller högre är sällsynta. Jordbävningar med magnituder större än 2 inträffar dock två eller tre gånger om året i regionen, främst runt sjöarna Erie och Ontario. Jordbävningar med magnituder på 2,5 till 3 är de minsta som i allmänhet upplevs av människor.

"Vi är inte säkra på om förkastningar i Lake Erie-området kan orsaka destruktiva eller dödliga jordbävningar", säger Huang, biträdande professor vid UM Department of Earth and Environmental Sciences. "Det är därför seismologer är intresserade av att studera en jordbävningssekvens av magnitud 4-typ från denna region."

Sedan början av 2010-talet har östra Ohio sett en betydande ökning av frekvensen av relativt små jordbävningar. Ursprunget till dessa jordbävningar är dåligt förstådda, men vissa tidigare studier tyder på att de kan tillskrivas avloppsvatteninjektion och hydraulisk sprickbildning.

Injektionsinducerad seismicitet har också föreslagits som utlösande faktor för regionens senaste jordbävning på magnitud 5, som inträffade i januari 1986 i nordöstra Ohio, öster om Cleveland i södra Lake County.

I den nya studien, som täcker perioden 2013 till 2020, fann det U-M-ledda teamet ett kluster av jordbävningar i närheten av 1986 års temblor och nära avloppsbrunnar som var i drift under studieperioden. De drog slutsatsen att detta kluster av skalv "potentiellt kan induceras av bortskaffande av avloppsvatten."

"Mer intressant är att jordbävningen 1986 också inträffade under en annan period av registrerade höga vattennivåer över de stora sjöarna", skrev författarna. "Men på grund av ett stort avstånd i förhållande till Lake Erie, skulle det vara svårt att utvärdera effekten av en sjöinducerad stressförändring på utlösandet av jordbävningen 1986."

För att skapa sin nya katalog med 437 skalv i Lake Erie-området började forskarna med 27 tidigare rapporterade jordbävningar som listades i Advanced National Seismic System Comprehensive Earthquake Catalog, som är känd som ComCat-katalogen.

Amerikanska seismometernätverk fångade kontinuerliga registreringar av markrörelser i regionen under studieperioden. Med hjälp av de vågformer som producerats av de 27 kända jordbävningarna som mallar, skannade teamet de kontinuerliga inspelningarna på jakt efter tidigare oupptäckta jordbävningar med liknande vågformer. Processen kallas mallmatchning.

De flesta av jordbävningarna i den nya katalogen skulle inte ha känts av områdets invånare och kan endast upptäckas av närliggande seismometrar som är känsliga för små mängder markskakningar.

Den nya katalogen avslöjade 20 till 40 små jordbävningar per år under studieperioden, vilket ledde fram till händelsen i juni 2019. En hög seismicitet under 2019 dominerades av efterskalv efter jordbävningen med magnituden 4,0.

Förutom att sammanställa den heltäckande nya katalogen, var teamet också först med att kartlägga felet som bröt för att orsaka skalvet 2019, som inträffade på ett djup av cirka 2 kilometer (1,2 miles).