De to jordskælv med en styrke på henholdsvis 6,4 og 7,1, der ramte Ridgecrest-området i Mojave-ørkenen nordøst for Los Angeles den 4. og 5. juli, blev mærket af op til 30 millioner mennesker i Californien, Nevada, Arizona og Baja California, hvilket resulterede i tab af menneskeliv, kvæstelser, skader for milliarder og masser af nervøsitet. Selv om den fjerntliggende beliggenhed uden tvivl minimerede virkningerne, tjente jordskælvene som en opvågning til selvtilfredse californiere om, at de bor i jordskælvsland og skal forberede sig på det uundgåelige “Big One”, som ifølge forskerne helt sikkert vil komme. De fik også folk til at tale om alle aspekter af jordskælv.
Der findes mange myter om jordskælv. En almindelig myte er, at der findes noget, der hedder “jordskælvsvejr” – bestemte typer vejrforhold, der typisk går forud for jordskælv, f.eks. varmt og tørt eller tørt og overskyet. Myten stammer fra den græske filosof Aristoteles, som i det 4. århundrede f.Kr. foreslog, at jordskælv blev forårsaget af indespærrede vinde, der undslap fra underjordiske huler. Han mente, at de store mængder luft, der er fanget i undergrunden, ville gøre vejret på Jordens overflade inden et jordskælv varmt og roligt.
Med seismologien – studiet af jordskælv – ved vi nu, at de fleste jordskælv skyldes tektoniske processer – kræfter i den faste Jord, der forårsager ændringer i jordskorpens struktur, primært brud på underjordiske klippemasser langs forkastninger (lineære svaghedszoner). Vi ved også, at de fleste jordskælv sker langt under Jordens overflade, langt uden for indflydelsen fra overfladetemperaturer og -forhold. Endelig ved vi, at den statistiske fordeling af jordskælv er omtrent lige stor på tværs af alle typer vejrforhold. Ifølge U.S. Geological Survey er den eneste sammenhæng, der er konstateret mellem jordskælv og vejret, at store ændringer i det atmosfæriske tryk forårsaget af store storme som orkaner har vist sig lejlighedsvis at udløse såkaldte “langsomme jordskælv”, som frigiver energi over forholdsvis lange perioder og ikke resulterer i jordskælv som traditionelle jordskælv. De bemærker, at selv om sådanne store lavtryksændringer potentielt kan være medvirkende til at udløse et skadeligt jordskælv, “er tallene små og ikke statistisk signifikante.”
Men hvad med klimaet? Er der nogen forbindelse mellem klimafænomener og jordskælv? Vi bad geofysiker Paul Lundgren fra NASA’s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien, om at lave en videnskabelig rystelse af sagen.
Vejning af vandets seismiske konsekvenser
For at kunne skabe en sammenhæng mellem klima og jordskælv, siger Lundgren, skal man først fastslå, hvilke tektoniske processer der kan være forbundet med klimafænomenerne. Forskerne ved, at jordskælv kan blive udløst eller hæmmet af ændringer i spændingsmængden på en forkastning. Den største klimavariabel, der kan ændre spændingsbelastningen på forkastninger, er overfladevand i form af regn og sne. Lundgren siger, at flere undersøgelser har understøttet sådanne sammenhænge. Men der er en hage.
“Typisk er der, hvor vi har set disse typer sammenhænge, mikroseismicitet – små jordskælv med magnituder under nul, langt mindre end mennesker kan føle,” siger han. “De forekommer ret hyppigt.”
Lundgren citerede arbejde udført af hans kollega Jean-Philippe Avouac fra Caltech og andre, som har fundet en sammenhæng mellem mængden af mikroseismicitet i Himalaya og den årlige monsun-sæson. I sommermånederne falder der store mængder nedbør på den indo-gangetiske slette, som omfatter de nordlige områder af det indiske subkontinent. Dette øger spændingsbelastningen på jordskorpen der og mindsker niveauet af mikroseismicitet i det tilstødende Himalaya. I vinterens tørre sæson, hvor der er mindre vandvægt på jordskorpen på sletten, er mikroseismiciteten i Himalaya højest.
Lundgren siger, at det dog bliver meget vanskeligere at drage sådanne slutninger om større jordskælv.
“Vi har set, at relativt små spændingsændringer som følge af klimalignende forceringer kan påvirke mikroseismiciteten,” siger han. “En masse små brud i jordskorpen er ustabile. Vi ser også, at tidevand kan forårsage svage jordskælv, der er kendt som mikroseismik. Men det virkelige problem er at tage vores viden om mikroseismicitet og skalere den op for at anvende den på et stort jordskælv, eller et jordskælv af en hvilken som helst størrelse, som folk kan mærke, faktisk.” Klimarelaterede spændingsændringer kan måske eller måske ikke fremme et jordskælv, men vi har ingen mulighed for at vide, hvor meget.
“Vi ved ikke, hvornår en forkastning kan være på det kritiske punkt, hvor en ikke-tektonisk påvirkning relateret til en klimaproces kan være dråben, der får bægeret til at flyde over og resultere i et stort jordskælv, og hvorfor på det tidspunkt og ikke tidligere?” sagde han. “Vi er simpelthen ikke i stand til på nuværende tidspunkt at sige, at klimaprocesser kan udløse et stort jordskælv.”
Hvad med tørke?
Vi ved, at sæsonbestemte virkninger kan forårsage ændringer på brud, men hvad med mindre periodiske klimafænomener, som f.eks. en langvarig tørke? Kan de også forårsage ændringer?
Som det viser sig, kan ændringer i spændingsbelastningen på jordskorpen som følge af tørkeperioder faktisk være betydelige. Forskning foretaget af JPL-forskeren Donald Argus og andre i 2017 ved hjælp af data fra et netværk af GPS-stationer med høj præcision i Californien, Oregon og Washington viste, at skiftende perioder med tørke og kraftig nedbør i Sierra Nevada mellem 2011 og 2017 faktisk fik bjergkæden til at stige med næsten en tomme og derefter falde med halvdelen af dette beløb, da bjergklipperne mistede vand under tørken og derefter genvandt det. Undersøgelsen kiggede ikke specifikt på potentielle virkninger på forkastninger, men sådanne stressændringer kunne potentielt mærkes på forkastninger i eller i nærheden af bjergkæden.
På samme måde har menneskers pumpning af grundvand fra underjordiske grundvandsmagasiner, som forværres i tørkeperioder, også vist sig at påvirke stressbelastningsmønstrene ved at “afsvæve” jordskorpen. Lundgren pegede på en undersøgelse fra 2014 i tidsskriftet Nature af Amos et al., som undersøgte virkningerne af grundvandsudvinding i Californiens Central Valley på seismiciteten på den tilstødende San Andreas-forkastning. Forskerne fandt, at sådanne indvindinger kan fremme laterale ændringer i spændingen på de to sider af San Andreas-graven, som bevæger sig horisontalt mod hinanden langs grænsen mellem to store tektoniske plader. Dette kan potentielt få dem til at løsne sig og glide, hvilket kan resultere i et jordskælv.
“Sådanne spændinger er små, men hvis du har grundvandspumpning over en længere periode, kan de blive mere betydningsfulde”, sagde han. “Selv om sådanne ændringer måske er små sammenlignet med spændingsændringer forårsaget af den normale opbygning af spændinger på en forkastning fra tektoniske processer, kan det potentielt fremskynde starten på det næste store jordskælv på San Andreas-linjen. Da mængden af glid på en forkastning øges med tiden mellem jordskælvene, kan dette desuden resultere i hyppigere, men mindre jordskælv.”
Derimod, siger Lundgren, er Fort Tejon-segmentet af San Andreas-forkastningen, der ligger tættest på Central Valley, sidst brudt i 1857, så i betragtning af jordskælvenes uregelmæssige karakter langs forkastningen og den store variation i tid mellem begivenhederne er forskerne med vores nuværende vidensniveau langt fra at forstå, hvornår og hvor det næste store jordskælv vil finde sted på den.”
Fire and Ice: Glaciers and Tectonic Processes
Et andet klimarelateret fænomen, der menes at have forbindelse til tektoniske processer, er istiden. Tilbagetrækningen af en gletsjer kan reducere spændingsbelastningen på jordskorpen nedenunder og dermed påvirke bevægelsen af magma under overfladen. En nyere undersøgelse i tidsskriftet Geology om vulkansk aktivitet på Island for 4.500 og 5.500 år siden, hvor Jorden var meget køligere end i dag, viste en forbindelse mellem afgletsning og øget vulkansk aktivitet. Omvendt faldt udbruddene, når istidsdækket steg.
Gletschernes hurtige bevægelse har også vist sig at forårsage såkaldte glaciale jordskælv. Istidsjordskælv i Grønland er hyppigst i sommermånederne og har været støt stigende over tid, muligvis som reaktion på den globale opvarmning.
Menneskelig brug af vand og induceret seismicitet
Ud over de klimarelaterede virkninger af vand på seismiciteten kan menneskelig forvaltning og anvendelse af vand også påvirke jordskælv gennem et fænomen, der kaldes induceret seismicitet.
For eksempel er vand, der opbevares i store dæmninger, blevet forbundet med jordskælvsaktivitet forskellige steder rundt om i verden, selv om virkningen er af lokaliseret karakter. I 1975, ca. otte år efter at Oroville-søen i det nordlige Californien, statens næststørste menneskeskabte reservoir, blev oprettet bag Oroville-dæmningen, indtraf der en række jordskælv i nærheden, hvoraf det største registrerede en styrke på 5,7. Kort efter at vandet i reservoiret var blevet trukket ned til det laveste niveau, siden det oprindeligt blev fyldt op for at reparere indtag til dæmningens kraftværk og derefter fyldt op igen, indtraf jordskælvene.
Flere undersøgelser af jordskælvene konkluderede, at udsving i vandstanden i vandreservoiret og tilsvarende ændringer i vandreservoirets vægt ændrede spændingsbelastningen på en lokal forkastning og udløste jordskælvene. Overvågning af jordskælvsaktiviteten ved reservoiret i årene efter jordskælvene fastslog en sæsonbestemt korrelation mellem reservoirets niveau og seismicitet. Seismiciteten falder, når reservoiret fyldes om vinteren og foråret, og de største jordskælv har tendens til at opstå, når reservoirets niveau falder om sommeren og efteråret.
Induceret seismicitet kan også opstå, når menneskers vandanvendelse smører en forkastning. Undersøgelser foretaget af USGS og andre institutioner har kædet kraftige stigninger i jordskælvsaktiviteten i Oklahoma og andre stater i det midtvestlige og østlige USA i de seneste år sammen med den øgede praksis med at injicere spildevand i jorden i forbindelse med olieaktiviteter. Indsprøjtningsbrønde placerer væsker under jorden i porøse geologiske formationer, hvor forskere mener, at de undertiden kan trænge ind i begravede forkastninger, der er klar til at glide, ændre poretrykket på dem og få dem til at glide.
Få det store billede af jordsystemets indbyrdes sammenhæng
Lundgren siger, at da han først begyndte at studere jordskælv, var alt fokuseret på at forstå dem inden for rammerne af pladetektonikken og de processer, der foregår i jordskorpen. Men det er nu ved at ændre sig.
“I det seneste årti eller deromkring er man med den udbredte indførelse af nye teknologier som GPS, der har en større rumlig fordeling og følsomhed, også begyndt at se på andre andenordenseffekter – andre faktorer, der kan have indflydelse på jordskælv”, siger han. “Det er meget spændende at kunne finde potentielle forbindelser mellem jordskælv og klima, f.eks. sæsonbestemte forskelle. Udfordringen er imidlertid at få sådanne forbindelser til at stemme overens med den grundlæggende fysik.”
“Vi er ikke tæt på at kunne forudsige, hvornår et jordskælv kan opstå som følge af klimaprocesser,” konkluderede han. “Selv hvis vi ved, at en klimaproces udefra potentielt påvirker et forkastelsessystem, kan vi, da vi ikke kender forkastelsens potentielle parathed til at bryde, endnu ikke drage den ekstra konklusion og sige, ah ha, jeg får måske et jordskælv en uge eller en måned senere.”
Det, som disse undersøgelser understreger, er den utrolige kompleksitet i vores jordsystem. Fortsat forskning vil hjælpe os til bedre at afdække, hvordan dets forskellige komponenter er forbundet med hinanden, nogle gange på overraskende måder.