Sent den 31 augusti 1886, medan många människor sov, skakade en stor jordbävning Charleston, South Carolina och den omgivande regionen, som störtade byggnader, knäckte järnvägsspår och fick sand att "koka" eller bubbla av flytande. När skakningarna upphörde hade cirka 2 000 strukturer skadats och minst 60 människor hade mist livet.
Jordbävningen i Charleston 1886 var en av de kraftigaste jordbävningarna som drabbade östra USA, med skakningar som kändes så långt borta som Boston, Chicago och New Orleans. Från 1670 när européer först bosatte sig i Charleston fram till den tiden upplevde regionen endast enstaka mindre seismisk aktivitet.
När efterskalven rasade i regionen rusade geologer och ingenjörer in på fältet, spelade in detaljerade anteckningar och tog fotografier av skadorna. Deras observationer fångade markstörningar i imponerande detalj, men forskarna förstod ännu inte helt förhållandet mellan jordbävningar och förkastningar, så de kunde inte sätta ihop hela historien.
"Tidpunkten för jordbävningen i Charleston var unik", säger Susan Hough, seismolog vid United States Geological Survey (USGS). "Om det hade hänt 75 år tidigare hade vi haft färre forskare utbildade och kunna sätta igång. Om det hade hänt tio år senare skulle seismogram förmodligen ha registrerat skakningarna."
Över ett sekel efter jordbävningen tog Hough och CIRES-stipendiat Roger Bilham, en forskare vid CU Boulder, upp spåret och byggde på de ursprungliga uppgifterna och nyare försök att få ihop historien om det dödliga skalvet.
"Även om ett dussin möjliga fel hade identifierats under träsken som omger Charleston, förblev själva felet som brast i jordbävningen ett mysterium," sa Bilham.
Teamets sökning genom historiska dokument ledde till spännande nya upptäckter om jordbävningen i Charleston – från felet som kan vara ansvarigt till omfattningen och deformationen på marken.
Deras arbete, publicerat i en serie om fyra artiklar 2023 och 2024, ger ett exempel på hur forskare kan använda historiska dokument för att dra tillbaka lagren av andra geologiska mysterier. Och i det inre av kontinentalplattor, där seismisk aktivitet är mindre frekvent, kan arbetet hjälpa samhällen att bättre bedöma sin risk för framtida jordbävningar.
Hough och Bilham började sin undersökning av jordbävningen i Charleston genom att gräva djupt i de skriftliga berättelserna om händelsen, inklusive de av Earle Sloan, en gruvingenjör som tog noggranna anteckningar och mätningar av skadorna på tre järnvägar som strålade ut från Charleston. De misstänkte att begravda i Sloans anteckningar var ledtrådar som kunde hjälpa dem att identifiera felet som var ansvarigt för jordbävningen.
Men det fanns några hinder som de måste komma över först.
"Att omvandla siffrorna till en övertygande historia visade sig vara en mardröm", förklarade Bilham. "Anteckningarna från 1886 inkluderade oavsiktligt inmatningsfel och stavfel som flyttade spännens positioner urskillningslöst hit och dit."
2022 reste teamet till Charleston i hopp om att få ordning på röran. De nollade in på en del av järnvägsspåret i Summerville där allvarliga spårstörningar hade rapporterats 1886. Bilham föreslog att de skulle använda GPS-metoder för att fastställa observationsplatserna, som Sloan hade räknat ut med hjälp av järnvägsmilstolpar.
Till sin stora förvåning identifierade forskarna en 4,5 meter (14,8 fot) förskjutning till höger i vad som borde vara en rät linje mil av spår. Först kunde forskarna inte tro storleken på förskjutningen, men vid en närmare läsning av Sloans anteckningar upptäckte de att han också hade beskrivit en förskjutning på samma plats. Förskjutningen innebar troligen att ett fel under spåren hade flyttats. Moderna geologer hade identifierat Summerville-förkastningen på den platsen, men ingen hade kopplat det till jordbävningen 1886.
"Det var ett ögonblick av serendipity som öppnade upp en helt ny dimension till projektet," sa Hough.
När de tittade på historiska kartor över området fann Bilham och Hough också att Summerville verkade ha stigit 1 meter (3,3 fot) efter jordbävningen, medan hamnen vid det närliggande Fort Dorchester hade förblivit ostörd sedan de byggdes på 1600-talet. Fynden bekräftade att något betydelsefullt hade inträffat nära Summerville 1886.
För att identifiera felet som var ansvarigt för jordbävningen i Charleston 1886 byggde forskarna en matematisk brottmodell för rörelse på Summerville-förkastningen som kunde förklara både de arkeologiska och geologiska bevisen, inklusive rätt förskjutning i järnvägsspåren och höjningen i Summerville.
Bilham och Hough fann att rörelse längs ett förkastning i Summerville i väster kan förklara varför staden ligger högre än de omgivande träskmarkerna. Modellen pekade på en magnitud på 7,3, vilket stämmer överens med jordbävningens stora "filt"-area och tidigare uppskattningar. De publicerade sina resultat i The Seismic Record år 2023.
"Det visar sig att du kan sätta ihop delarna för att identifiera felet som orsakade jordbävningen och komma med en detaljerad modell för hur felet gick sönder," sa Hough. "Det var första gången någon gjorde det för jordbävningen i Charleston."
Efter att ha identifierat den potentiella gärningsmannen, flyttade Hough och Bilham tillbaka sin uppmärksamhet till nedslagen på marken. Med hjälp av förkastningsplatsen simulerade de hur skakningar kan ha sett ut på olika platser och jämförde resultaten med observationer från gamla register. Jämförelsen, som publicerades i Bulletin of the Seismological Society of America i januari 2024, stöder deras föreslagna 7,3 magnitud.
Bilham fortsatte att gräva i de historiska dokumenten för att reda ut varför järnvägsspår 20 miles från Summerville hade spännts och slitits isär.
"Det var ett monumentalt företag," sa Hough. "Det var som att Sloan hade skickat facklan genom tiderna till Roger."
Ett gammalt fotografi, taget dagen efter jordbävningen i Charleston, visade vad som verkade vara en förskjutning av järnvägsspåret där det korsade ett lågt liggande träsk. Många forskare använde fotot för att sluta sig till fel i området.
Forskarna konstruerade en virtuell 3D-vy av den deformerade järnvägsspårningen med hjälp av exakta mätningar av tusen punkter i originalfotot, som hade överlevt i Charleston Museums arkiv. Arbetet ledde till en annan häpnadsväckande insikt – de böjda spåren runt Charleston hade tillsammans registrerat sammandragningen och kompressionen av seismiska vågor som rasade från jordbävningens epicentrum.
"Vi kunde visa att spännen uppstod överallt att linan hade komprimerats mer än vad som tillåts av dess expansionsfogar, och att linan hade delats där expansionsbultarna hade gått sönder," sa Bilham.
Verket publicerades också i Bulletin of the Seismological Society of America .
Hough och Bilhams ansträngningar visar att även efter 137 år kan forskare fortfarande lära sig nya saker om jordbävningen i Charleston och bidra till en bredare förståelse av seismisk aktivitet i regionen.
"Charleston är en tegelsten i väggen," sa Hough. "Nu förstår vi en händelse på en plats, men det återstår mycket arbete för att få ihop den större bilden."
Intraplate jordbävningar som den i Charleston skiljer sig från sina motsvarigheter, som inträffar där stora bitar av jordskorpan skaver mot varandra. Det finns inget enskilt mönster som förklarar varför de inträffar, och ofta kräver varje händelse en unik undersökning. Men Hough hoppas att deras arbete kommer att inspirera forskare att titta djupare – i det förflutna och i framtiden.
"Det finns en tendens att anta att all kunskap finns på internet och lätt tillgänglig," sa Hough. "Våra ansträngningar bekräftar hur mycket värde det kan vara att ta hänsyn till de dammiga ursprungliga datakällorna."
Mer information: Roger Bilham et al, Static and Dynamic Strain in the 1886 Charleston, South Carolina, Earthquake, Bulletin of the Seismological Society of America (2024). DOI:10.1785/0120240025
Susan E. Hough et al, The 1886 Charleston, South Carolina, Earthquake:Intensities and Ground Motions, Bulletin of the Seismological Society of America (2024). DOI:10.1785/0120230224
Roger Bilham et al, Jordbävningen i Charleston, South Carolina, 1886:Relic Railroad Offset Reveals Rupture, The Seismic Record (2023). DOI:10.1785/0320230022
Journalinformation: Bulletin från Seismological Society of America
Tillhandahålls av University of Colorado i Boulder
