När forskare letar efter orsaken till en jordbävning börjar deras sökande ofta under jorden. Som århundraden av seismiska studier har visat, är det kollisionen av tektoniska plattor och förflyttningen av underjordiska förkastningar och sprickor som i första hand utlöser en storm.
Men MIT-forskare har nu funnit att vissa väderhändelser också kan spela en roll för att utlösa vissa skalv.
I en studie som visas i Science Advances , rapporterar forskarna att episoder av kraftigt snöfall och regn sannolikt har bidragit till en svärm av jordbävningar under de senaste åren i norra Japan. Studien är den första som visar att klimatförhållanden kan initiera vissa skalv.
"Vi ser att snöfall och annan miljöbelastning på ytan påverkar stresstillståndet under jorden, och tidpunkten för intensiva nederbördshändelser är väl korrelerad med starten av denna jordbävningssvärm", säger studieförfattaren William Frank, biträdande professor vid MIT:s avdelning av Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS). "Så klimatet har uppenbarligen en inverkan på den fasta jordens reaktion, och en del av det svaret är jordbävningar."
Den nya studien fokuserar på en serie pågående jordbävningar på den japanska halvön Noto. Teamet upptäckte att seismisk aktivitet i regionen överraskande nog är synkroniserad med vissa förändringar i underjordiskt tryck, och att dessa förändringar påverkas av säsongsmönster av snöfall och nederbörd. Forskarna misstänker att detta nya samband mellan skalv och klimat kanske inte är unikt för Japan och kan spela en roll i att skaka om andra delar av världen.
Med blicken mot framtiden förutspår de att klimatets påverkan på jordbävningar kan bli mer uttalad med den globala uppvärmningen.
"Om vi går in i ett klimat som förändras, med mer extrema nederbördshändelser, och vi förväntar oss en omfördelning av vattnet i atmosfären, oceanerna och kontinenterna, kommer det att förändra hur jordskorpan laddas", tillägger Frank. "Det kommer definitivt att påverka, och det är en länk som vi kan utforska ytterligare."
Studiens huvudförfattare är tidigare MIT-forskarassistent Qing-Yu Wang (nu vid Grenoble Alpes University), och inkluderar även EAPS postdoc Xin Cui, Yang Lu från University of Vienna, Takashi Hirose från Tohoku University och Kazushige Obara från University of University Tokyo.
Sedan slutet av 2020 har hundratals små jordbävningar skakat upp Japans Noto-halvön – ett landfinger som kröker sig norrut från landets huvudö in i Japanska havet. Till skillnad från en typisk jordbävningssekvens, som börjar som en huvudchock som ger vika för en serie efterskalv innan den dör ut, är Notos seismiska aktivitet en "jordbävningssvärm" – ett mönster av multipla, pågående skalv utan någon uppenbar huvudchock eller seismisk utlösare .
MIT-teamet, tillsammans med sina kollegor i Japan, hade som mål att upptäcka eventuella mönster i svärmen som skulle förklara de ihållande skalven. De började med att titta igenom den japanska meteorologiska byråns katalog över jordbävningar som ger data om seismisk aktivitet i hela landet över tid. De fokuserade på skalv på Noto-halvön under de senaste 11 åren, under vilka regionen har upplevt episodisk jordbävningsaktivitet, inklusive den senaste svärmen.
Med seismiska data från katalogen räknade teamet antalet seismiska händelser som inträffade i regionen över tid och fann att tidpunkten för skalv före 2020 verkade sporadisk och orelaterade, jämfört med slutet av 2020, när jordbävningarna blev mer intensiva och klustrade i tid, vilket signalerar början av svärmen, med skalv som är korrelerade på något sätt.
Forskarna tittade sedan på en andra datauppsättning av seismiska mätningar som tagits av övervakningsstationer under samma 11-årsperiod. Varje station registrerar kontinuerligt varje förskjutning eller lokal skakning som inträffar. Skakningarna från en station till en annan kan ge forskarna en uppfattning om hur snabbt en seismisk våg rör sig mellan stationerna. Denna "seismiska hastighet" är relaterad till jordens struktur genom vilken den seismiska vågen färdas. Wang använde stationsmätningarna för att beräkna den seismiska hastigheten mellan varje station i och runt Noto under de senaste 11 åren.
Forskarna genererade en utvecklande bild av seismisk hastighet under Notohalvön och observerade ett överraskande mönster:År 2020, ungefär när jordbävningssvärmen tros ha börjat, verkade förändringar i seismisk hastighet vara synkroniserade med årstiderna.
"Vi var sedan tvungna att förklara varför vi observerade denna säsongsvariation," säger Frank.
Teamet undrade om miljöförändringar från säsong till säsong kunde påverka jordens underliggande struktur på ett sätt som skulle sätta igång en jordbävningssvärm. Specifikt tittade de på hur säsongsbetonad nederbörd skulle påverka det underjordiska "porvätsketrycket" - mängden tryck som vätskor i jordens sprickor och sprickor utövar i berggrunden.
"När det regnar eller snöar, lägger det till vikt, vilket ökar portrycket, vilket gör att seismiska vågor kan färdas långsammare", förklarar Frank. "När all den vikten tas bort, genom avdunstning eller avrinning, helt plötsligt minskar portrycket och de seismiska vågorna är snabbare."
Wang och Cui utvecklade en hydromekanisk modell av Noto-halvön för att simulera det underliggande portrycket under de senaste 11 åren som svar på säsongsmässiga förändringar i nederbörd. De matade in meteorologiska data från modellen från samma period, inklusive mätningar av daglig snö, nederbörd och havsnivåförändringar.
Från sin modell kunde de spåra förändringar i överskott av portryck under Noto-halvön, före och under jordbävningssvärmen. De jämförde sedan denna tidslinje för utvecklandet av portrycket med deras utvecklande bild av seismisk hastighet.
"Vi hade seismiska hastighetsobservationer och vi hade modellen för överskjutande portryck, och när vi överlappade dem såg vi att de passade väldigt bra", säger Frank.
I synnerhet fann de att när de inkluderade snöfallsdata, och särskilt extrema snöfallshändelser, var anpassningen mellan modellen och observationerna starkare än om de bara beaktade regn och andra händelser. Med andra ord kan den pågående jordbävningssvärmen som Noto-invånarna har upplevt delvis förklaras av säsongsbetonad nederbörd, och särskilt kraftiga snöfall.
"Vi kan se att tidpunkten för dessa jordbävningar stämmer mycket bra överens med flera gånger där vi ser intensiva snöfall", säger Frank. "Det är välkorrelerat med jordbävningsaktivitet. Och vi tror att det finns en fysisk koppling mellan de två."
Forskarna misstänker att kraftigt snöfall och liknande extrem nederbörd kan spela en roll vid jordbävningar på andra håll, även om de betonar att den primära utlösaren alltid kommer att ha sitt ursprung under jorden.
"När vi först vill förstå hur jordbävningar fungerar, tittar vi på plattektonik, eftersom det är och kommer alltid att vara den främsta anledningen till att en jordbävning inträffar", säger Frank. "Men vilka andra saker kan påverka när och hur en jordbävning inträffar? Det är då du börjar gå till andra ordningens styrande faktorer, och klimatet är uppenbarligen en av dessa."
Mer information: Qing-Yu Wang, Att reda ut de miljömässiga och tektoniska drivkrafterna bakom jordbävningssvärmen i Noto i Japan, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.ado1469. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado1469
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
