Vad kan “tysta jordbävningar” lära oss om nästa stora?

Den 16 februari 1861 drabbade en jordbävning med magnituden 8 Sumatra, en indonesisk ö i Indiska oceanen. Jordbävningen skakade den västra sidan av ön och utlöste en tsunami. Den massiva muren av forsande vatten rann ut på stranden, förstörde städer och krävde tusentals liv.

Men nyligen upptäckte ett team av forskare att en annan jordbävning föregick denna dödliga händelse. Det skalvet började 1829 – och slutade inte på 32 år!

Ändå kände ingen en enda skakning.

Den här typen av långsamma jordbävningar kallas en “långsamt glidande händelse”. De har också kallats “tysta jordbävningar” eftersom inte ens instrument som seismometrar (Size-MAH-meh-turs) kan upptäcka dem. Forskare har bara börjat upptäcka dem på grund av framsteg för cirka två decennier sedan inom GPS-teknik (global positioning system).

Att studera jordbävningar hjälper forskare att ta reda på vad som händer under jordens yta. Varje jordbävning, liten som stor, kan lära forskare något om hur mycket marken kommer att skaka i framtiden. Tyvärr kan ingen förutse när en jordbävning kommer att drabba. Forskare måste bara förbereda sig för att studera alla jordbävningar som inträffar.

Men långsamma händelser som den på Sumatra förändrar spelet för forskare. Dessa tysta skalv inträffar ofta över hela världen. Ibland inträffar en långsam glidning strax före en vanlig jordbävning. Detta betyder att de två typerna av jordrörelser kan vara relaterade. Genom att undersöka händelser med långsam glidning hoppas forskarna bättre förstå vanliga skalv – och möjligen hur man förutsäger dem.

Tyst skalv

Jordens yta är gjord av en samling tektoniska plattor: enorma massor av land, som marken under dina fötter. Dessa plattor ligger ovanpå ett djupt lager av sliskig, varm sten som gör att de kan glida runt. Ibland springer tallrikarna in i varandra. Andra gånger glider de ifrån varandra. Ibland glider de bara förbi varandra.

Eftersom dessa skyltar spelar ett långsamt spel med stötfångare, fastnar de ibland. Stenarna trycker och trycker sedan mot varandra, vilket skapar stress. När stenarna plötsligt lossnar, eller knäpper, släpper de all den stressen som en jordbävning. Detta liknar vad som händer när du böjer en pinne. När du börjar böja pinnen byggs stress upp i mitten. När det är för mycket stress, knäpper pinnen.

Förklarare: Förstå plattektonik

När detta händer under jorden, sänder denna stressfrigöring vågor av energi, kallade seismiska vågor, genom marken. På land kan vi se och känna det när jorden skakar. Seismometrar kan registrera dessa vågor — även halvvägs över planeten.

Dessa skalv är förmodligen den typ du tänker på när du hör ordet “jordbävning”. Inramade bilder som faller av väggar, vaser som krossas, marken mullrar. Och även om dessa skalv kan vara skrämmande och till och med dödliga, varar de vanligtvis mindre än en minut. Slow-slip-evenemang är helt olika. De kan pågå dagar, veckor eller längre. Som forskare nu tar reda på kan ibland dessa tysta jordbävningar pågå i årtionden.

“Vi älskar slow-slip-evenemang eftersom de ger dig all spänning från jordbävningar, bara i slow motion”, säger Rishav Mallick. Han studerar geodesi (Jee-AH-deh-see), eller den exakta tredimensionella formen av land vid en given punkt på jorden. Han arbetar vid Nanyang Technological University i Singapore.

Vid en långsam glidning glider stenarna fortfarande förbi varandra men väldigt långsamt, förklarar Laura Wallace. Hon är en geodetisk vetenskapsman som delar sin tid mellan två vetenskapliga institutioner. En är på GNS Science, Te Pū Ao, i Nya Zeeland. Det är i en stad som heter Lower Hutt. Hennes andra institution är University of Texas i Austin. Under en långsam glidning, rör sig stenar så långsamt att “energin försvinner väldigt, väldigt långsamt”, säger hon. “Du känner inte skakningarna.”

Stenar kan glida lika långt som de skulle göra vid en vanlig jordbävning. Det tar dem bara mycket längre tid. Om stenarna halkade samma sträcka på några sekunder, kan ett sådant skalv registreras som magnitud 7, säger Wallace. Det skulle resultera i en ganska kraftig skakning. Den är stark nog att skada byggnader eller till och med döda olyckliga människor.

Forskare upptäcker många långsamma händelser längs strukturer som kallas subduktionszoner. I en sådan zon dyker en oceanisk platta under en kontinentalplatta. Längs den amerikanska Stillahavskustens nordvästra kust dyker den oceaniska Juan de Fuca-plattan under den nordamerikanska plattan. Detta har bildat en subduktionszon. Denna tektoniska plattgräns kallas Cascadia Subduction Zone (CSZ). Den går från Vancouver, Kanada till norra Kalifornien.

Grunda delar av CSZ-felet är för närvarande “låsta”, säger Wallace. Stenar som fastnat längs denna förkastning kan inte röra sig förbi varandra. Var 300:e till 500:e år eller så byggs stress upp så mycket att stenarna knäpper och susar förbi varandra väldigt snabbt. Detta utlöser en “megathrust” jordbävning. Megathrust jordbävningar är några av de största och mest destruktiva naturhändelserna på planeten. Skalvet i Japan 2011 som startade en tsunami och dödade tusentals var precis en sådan jordbävning.

Men med jämna mellanrum, säger Wallace, upptäcker forskare långsamma händelser på olåsta områden i CSZ. Och deras tysta natur och långa varaktighet är inte de enda egenskaperna som skiljer dem från vanliga skalv. Händelser med långsam glidning inträffar vanligtvis djupare än vanliga skalv. En jordbävning kan ha sitt ursprung 20 till 30 kilometer (12 till 18 miles) under jorden. En långsam glidning kan inträffa upp till 60 kilometer (37 miles) ner. Forskare tror att dessa skalv inträffar på större djup eftersom det är varmare där. Så stenar är mer formbara vid dessa högre temperaturer. Det kan också finnas vätskor som smörjer felet, vilket minskar friktionen och gör det lättare för plattorna att glida förbi varandra.

Upptäcker långsam glidning evenemang

Deras superpokey-hastighet gör att händelser med långsam glidning kan undvika seismometrar. De producerar inte de starka seismiska vågorna som kan färdas över jorden – och orsaka all den skakningen. Denna smygande natur förklarar varför det tog forskare så lång tid att ens upptäcka dem. För femtio år sedan antydde små datauppsättningar långsamt rörliga jordbävningar. Men tekniken var inte tillräckligt bra för att upptäcka dem fullt ut. Det var faktiskt inte förrän de senaste 20 åren eller så som forskare ens kunde visa att dessa tröga händelser var på gång, säger Wallace. GPS-framsteg hjälpte forskarna så småningom att identifiera dem.

Sedan 1980-talet har forskare studerat rörelserna av jordens plattor med GPS. Detta är samma teknik som ger din karta plats och vägbeskrivningar på din telefon. GPS förlitar sig på cirka 30 satelliter. Var och en kretsar runt jorden två gånger om dagen. När din smartphone tar emot en signal från flera satelliter kan den beräkna var på jorden den är och du är. GPS-mottagare installerade i förkastningszoner kan berätta för forskare hur mycket marken rör sig mellan, under och efter jordbävningar. Dessa enheter kan mäta landrörelse ner till millimetern (ungefär en tjugofemtedels tum).

Innan händelser med långsam glidning upptäcktes besökte forskare regelbundet felzoner med en GPS-enhet för att mäta dess position. Detta skulle tillåta dem att registrera landets rörelse över tiden. I slutet av 1990-talet började forskare misstänka att långsamma händelser var på gång. Så de började placera “kontinuerligt fungerande” GPS-enheter vid felzoner. Dessa permanenta GPS-enheter ger en konstant ström av data.

Under en händelse med långsam glidning kan en av dessa GPS-enheter röra sig några centimeter (ungefär en tum eller så) under ett par veckor. Denna rörelse visar att en långsam glidning inträffar. Till exempel, när Juan de Fuca-plattan dyker österut, skjuter den den nordamerikanska plattan österut också. GPS-signaler tar upp rörelser österut på den nordamerikanska plattan. Men under en långsam glidning kommer dessa GPS-enheter att röra sig västerut bara en bit. Detta är den nordamerikanska plattan som sakta glider tillbaka mot Juan de Fuca-plattan.

Forskare kan också upptäcka uråldriga långsamma händelser. GPS-enheter är inte användbara, eftersom dessa händelser inträffade för så länge sedan. Här måste forskare bli kreativa. Mallick och hans team upptäckte till exempel den 200 år gamla slow-slip-händelsen nära Sumatra genom att läsa tillväxtmönstren i gamla koraller.

Koraller växer genom att bygga lager av skelett, ovanpå varandra. Dessa olika skelettskikt är ungefär som trädringar. De olika lagren – i trädringar eller i koraller – kan berätta för forskare om miljön där lagret växte. Koraller växer bäst på grunt vatten, konstaterar Mallick. Här kan de få mycket ljus när de växer mot havets yta. När havsnivån stiger växer koraller uppåt, mot ljuset. När havsnivån sjunker växer koraller utåt för att undvika att komma i kontakt med det fria.

I några koraller längs kusten på ön Simeulue, nära Sumatra, märkte Mallick och hans kollegor att korallerna visade udda tillväxtmönster. Det såg ut som att havsnivån hade stigit mer än vad som var vanligt för den delen av jordklotet. Forskarna bekräftade att havet inte hade stigit – själva landet hade sjunkit.

Mallicks team mätte korallernas ålder. De gjorde detta genom att studera de individuella lagren av koralltillväxt. Varje lager innehåller information om när det bildades. Forskare kan bestämma åldern på dessa lager baserat på de olika mängderna av kolisotoper de innehåller. (Dessa isotoper är versioner av kolatomer som skiljer sig åt i antalet neutroner i deras kärnor). Forskarna fastställde att landet hade sjunkit i 32 år, med början 1829. Sedan 1861 dog alla koraller. De hade knuffats över havsytan och utsatts för luft. Det enda som kunde ha drivit korallerna så högt var jordbävningen med magnituden 8 som drabbade Sumatra det året.

Teamet publicerade sina resultat i maj i Nature Geoscience.

Nu undrar forskare: Kan långsamt glidande händelser och vanliga jordbävningar vara relaterade? Om så är fallet, hur? “Det är förmodligen en av de största sakerna som vi försöker hantera just nu,” säger Wallace.

Ett pussel att lösa

Några av de starkaste jordbävningarna som människor upplever inträffar längs subduktionszoner. Det råkar också vara här som forskare också upptäcker många långsamma händelser. Det finns den där jordbävningen med magnitud 9 som skakade nordöstra Japan 2011, till exempel. Och en jordbävning med magnituden 8,2 som drabbade subduktionszonen utanför norra Chiles kust 2014.

“Det finns riktigt bra bevis för att båda dessa massiva jordbävningar faktiskt föregicks av en stor sakta händelse,” säger Wallace. Hon betonar att det för närvarande är omöjligt att säga om händelser med långsam glidning kan utlösa en jordbävning. Slow-slip händelser inträffar ofta, och ibland med regelbundna, förutsägbara intervall. En stor del av tiden följer inte stora jordbävningar långsamt glidande händelser. Till exempel påpekar hon: “Vi har sett hundratals långsamma händelser runt om i världen som inte ledde till riktigt stora jordbävningar.”

Ändå finns det anledningar till varför forskare misstänker att de kan vara släkt. En är stress, säger Wallace.

När två plattor fastnar i varandra byggs stress längs med förkastningen. Händelser med långsam glidning kan inträffa på den djupa delen av felet, vilket minskar viss stress i det området. Men samma rörelse kan öka stressen på den låsta zonen ovan, säger Wallace, som någon gång “utlöser en större jordbävning.”

Michael Brudzinski beskriver en fast tallrik som en sovande drake. Han är seismolog vid Miami University i Oxford, Ohio. Om den fastnade plattan är en drake som sover lugnt, så är en sakta händelse en fjäder som kittlar sin nos. Draken kommer inte att vakna av varje kittling. Men en kittling för mycket, och draken kanske ryter.

Hemligheten med att lösa pusslet om hur långsamma händelser relaterar till jordbävningar är data, säger Mallick. Mycket data. Forskare behöver mäta många fler långsamma händelser och många fler jordbävningar. Tyvärr ligger många förkastningar som inträffar med långsam glidning djupt i havet. Det är svårt för forskare att placera GPS-enheter där för att spåra plattans rörelser. Men forskare utvecklar nu GPS-teknik för att arbeta djupt under vattnet, konstaterar Mallick.

I Nya Zeeland, där Wallace arbetar, inträffar verkligen jordbävningar under långsamt glidande händelser längs denna regions subduktionszoner. Att studera detta område kommer att hjälpa forskare att förstå sambandet mellan de två fenomenen.

“Jag tror inte att vi någonsin kommer att kunna förutsäga jordbävningar,” säger Wallace. Men med mer data och mer forskning kan vi komma nära.