De twee aardbevingen met een magnitude van 6,4 en 7,1 die op respectievelijk 4 en 5 juli het Ridgecrest-gebied in de Californische Mojavewoestijn ten noordoosten van Los Angeles troffen, werden gevoeld door zo’n 30 miljoen mensen in Californië, Nevada, Arizona en Baja California, met als gevolg verlies van mensenlevens, gewonden, miljardenschade en een hoop opgekropte zenuwen. Hoewel de afgelegen locatie de gevolgen ongetwijfeld tot een minimum heeft beperkt, hebben de bevingen de zelfgenoegzame Californiërs er toch op gewezen dat ze in aardbevingsland wonen en dat ze zich moeten voorbereiden op de onvermijdelijke “Grote Beving” die volgens wetenschappers zeker zal komen. Ze hebben ook mensen aan het praten gekregen over alle aspecten van aardbevingen.
Er zijn veel mythen over aardbevingen. Een veel voorkomende mythe is dat er zoiets bestaat als “aardbevingsweer” – bepaalde weersomstandigheden die doorgaans voorafgaan aan aardbevingen, zoals warm en droog, of droog en bewolkt. De mythe gaat terug op de Griekse filosoof Aristoteles, die in de 4e eeuw voor Christus voorstelde dat aardbevingen werden veroorzaakt door opgesloten winden die ontsnapten uit ondergrondse grotten. Hij geloofde dat de grote hoeveelheden lucht die onder de grond opgesloten zaten, het weer aan het aardoppervlak vóór een beving warm en rustig maakten.
Met de komst van de seismologie – de studie van aardbevingen – weten we nu dat de meeste bevingen worden veroorzaakt door tektonische processen – krachten in de vaste aarde die veranderingen in de structuur van de aardkorst aandrijven, voornamelijk de breuk van ondergrondse rotsmassa’s langs breuken (lineaire zones van zwakte). Wij weten ook dat de meeste aardbevingen ver onder het aardoppervlak plaatsvinden, ver buiten de invloedssfeer van oppervlaktetemperaturen en -omstandigheden. Tenslotte weten we dat de statistische verdeling van aardbevingen over alle soorten weersomstandigheden ongeveer gelijk is. Myth busted.
In feite, volgens het U.S. Geological Survey, is de enige correlatie die is waargenomen tussen aardbevingen en het weer, dat grote veranderingen in atmosferische druk veroorzaakt door grote stormen zoals orkanen af en toe zogenaamde “langzame aardbevingen” veroorzaken, die energie vrijgeven over relatief lange perioden van tijd en niet resulteren in grondschokken zoals traditionele aardbevingen doen. Zij merken op dat, hoewel dergelijke grote lagedrukveranderingen mogelijk kunnen bijdragen tot het veroorzaken van een schadelijke aardbeving, “de aantallen klein zijn en statistisch niet significant.”
Maar hoe zit het met het klimaat? Zijn er verbanden tussen klimaatverschijnselen en aardbevingen? We vroegen geofysicus Paul Lundgren van NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, om een wetenschappelijke shakedown over de zaak te doen.
Weighing the Seismic Consequences of Water
Om een verband te kunnen leggen tussen klimaat en aardbevingen, zegt Lundgren, moet je eerst vaststellen wat voor tektonische processen in verband zouden kunnen staan met klimaatverschijnselen. Wetenschappers weten dat aardbevingen kunnen worden uitgelokt of afgeremd door veranderingen in de hoeveelheid spanning op een breuk. De grootste klimaatvariabele die de belasting op breuken kan veranderen, is oppervlaktewater in de vorm van regen en sneeuw. Lundgren zegt dat verschillende studies dergelijke correlaties hebben ondersteund. Maar er is een addertje onder het gras.
“Meestal zien we dit soort correlaties bij microseismiciteit – kleine aardbevingen met magnitudes kleiner dan nul, veel kleiner dan mensen kunnen voelen,” zei hij. “Die komen vrij vaak voor.”
Lundgren haalde werk aan van zijn collega Jean-Philippe Avouac van Caltech en anderen, die een correlatie hebben gevonden tussen de hoeveelheid microseismiciteit in de Himalaya en het jaarlijkse moessonseizoen. Tijdens de zomermaanden vallen grote hoeveelheden neerslag op de Indo-Gangetic vlakte, die de noordelijke regio’s van het Indiase subcontinent omvat. Hierdoor neemt de druk op de aardkorst daar toe en neemt de microseismiciteit in de aangrenzende Himalaya af. Tijdens het droge winterseizoen, wanneer er minder watergewicht op de aardkorst in de vlakte staat, piekt de microseismiciteit in de Himalaya.
Lundgren zegt dat het echter veel moeilijker wordt om dergelijke conclusies te trekken over grotere aardbevingen.
“We hebben gezien dat relatief kleine spanningsveranderingen als gevolg van klimaat-achtige forcings de microseismiciteit kunnen beïnvloeden,” zei hij. “Veel kleine breuken in de aardkorst zijn onstabiel. We zien ook dat getijden zwakke aardschokken kunnen veroorzaken die bekend staan als microseismiciteit. Maar het echte probleem is om onze kennis van microseismiciteit op te schalen en toe te passen op een grote beving, of een beving van welke omvang dan ook die mensen kunnen voelen.” Klimaatgerelateerde spanningsveranderingen kunnen al dan niet een aardbeving bevorderen, maar we hebben geen manier om te weten met hoeveel.
“We weten niet wanneer een breuk op het kritieke punt kan zijn waar een niet-tektonische forcering gerelateerd aan een klimaatproces de druppel zou kunnen zijn die de emmer doet overlopen, resulterend in een aardbeving van enige omvang, en waarom dan en niet eerder?” zei hij. “We zijn op dit moment gewoon niet in een positie om te zeggen dat klimaatprocessen een grote aardbeving kunnen veroorzaken.”
Hoe zit het met droogtes?
We weten dat seizoensinvloeden veranderingen op breuken kunnen veroorzaken, maar hoe zit het met minder periodieke klimaatverschijnselen, zoals een langdurige droogte? Kunnen die ook veranderingen veroorzaken?
Het blijkt dat veranderingen in de belasting van de aardkorst door perioden van droogte inderdaad aanzienlijk kunnen zijn. Uit onderzoek van JPL-wetenschapper Donald Argus en anderen in 2017, waarbij gegevens werden gebruikt van een netwerk van GPS-stations met hoge precisie in Californië, Oregon en Washington, bleek dat afwisselende perioden van droogte en hevige neerslag in de Sierra Nevada tussen 2011 en 2017 er feitelijk voor zorgden dat de bergketen met bijna een centimeter steeg en vervolgens met de helft van die hoeveelheid daalde, omdat de bergrotsen tijdens de droogte water verloren en het vervolgens weer opnamen. In de studie werd niet specifiek gekeken naar mogelijke gevolgen voor breuken, maar dergelijke spanningsveranderingen kunnen mogelijk worden gevoeld op breuken in of nabij het gebergte.
Ook van het pompen van grondwater uit ondergrondse watervoerende lagen door de mens, dat in tijden van droogte wordt verergerd, is aangetoond dat het de patronen van spanningsbelastingen beïnvloedt door de aardkorst te “ontzwaren”. Lundgren wees op een studie van Amos e.a. uit 2014 in het tijdschrift Nature, waarin werd gekeken naar de effecten van grondwateronttrekking in de Central Valley van Californië op de seismiciteit op de aangrenzende San Andreas-breuk. De onderzoekers ontdekten dat dergelijke onttrekkingen laterale spanningsveranderingen kunnen bevorderen aan de twee zijden van de San Andreas, die horizontaal tegen elkaar bewegen langs de grens van twee grote tektonische platen. Dit zou er mogelijk toe kunnen leiden dat ze ontklemmen en slippen, met een aardbeving tot gevolg.
“Dergelijke spanningen zijn klein, maar als je over een lange periode grondwater pompt, dan kunnen ze significanter worden,” zei hij. “Ook al zijn dergelijke veranderingen misschien klein vergeleken met de spanningsveranderingen die worden veroorzaakt door de normale opbouw van spanning op een breuk als gevolg van tektonische processen, het zou het begin van de volgende grote beving op de San Andreas kunnen versnellen. Bovendien zou dit, omdat de hoeveelheid slip op een breuk toeneemt met de tijd tussen aardbevingen, kunnen resulteren in frequentere maar kleinere bevingen.”
Het Fort Tejon-segment van de San Andreas-breuk, dat het dichtst bij de Centrale Vallei ligt, scheurde echter voor het laatst in 1857, dus gezien de grillige aard van de aardbevingen langs de breuk en de grote variabiliteit in tijd tussen de gebeurtenissen, zijn wetenschappers met ons huidige kennisniveau nog ver verwijderd van inzicht in wanneer en waar de volgende grote aardbeving op de breuk zal plaatsvinden.
Fire and Ice: Glaciers and Tectonic Processes
Een ander klimaatgerelateerd fenomeen waarvan wordt aangenomen dat het verband houdt met tektonische processen, is glaciatie. Het terugtrekken van een gletsjer kan de druk op de onderliggende aardkorst verminderen, wat van invloed is op de beweging van magma in de ondergrond. In een recente studie in het tijdschrift Geology over vulkanische activiteit in IJsland tussen 4.500 en 5.500 jaar geleden, toen de aarde veel koeler was dan vandaag, werd een verband gevonden tussen ontglazing en verhoogde vulkanische activiteit. Omgekeerd, wanneer de gletsjerbedekking toenam, namen de uitbarstingen af.
Het is ook aangetoond dat de snelle beweging van gletsjers de zogenaamde glaciale aardbevingen veroorzaakt. Gletsjeraardbevingen in Groenland komen het vaakst voor in de zomermaanden en zijn in de loop der tijd gestaag toegenomen, mogelijk als reactie op de opwarming van de aarde.
Menselijk gebruik van water en geïnduceerde seismiciteit
Naast klimaatgerelateerde effecten van water op seismiciteit, kunnen menselijk beheer en toepassingen van water ook aardbevingen beïnvloeden via een fenomeen dat bekend staat als geïnduceerde seismiciteit.
Zo is bijvoorbeeld water opgeslagen in grote dammen in verband gebracht met aardbevingsactiviteit op verschillende plaatsen in de wereld, hoewel het effect plaatselijk van aard is. In 1975, ongeveer acht jaar nadat het Lake Oroville in Noord-Californië, het op één na grootste door mensen gebouwde reservoir van de staat, was ontstaan achter de Oroville-dam, deed zich in de buurt een reeks aardbevingen voor, waarvan de grootste een kracht van 5,7 had. Kort nadat het water in het stuwmeer tot het laagste niveau was teruggebracht sinds het oorspronkelijk was gevuld om de inlaten naar de elektriciteitscentrale van de dam te herstellen, en vervolgens opnieuw was gevuld, deden de aardbevingen zich voor.
Verschillende studies die de bevingen onderzochten, concludeerden dat schommelingen in het waterniveau van het reservoir, en overeenkomstige veranderingen in het gewicht van het reservoir, de spanningsbelastingen op een lokale breuk veranderden, waardoor de bevingen werden uitgelokt. Uit de monitoring van de aardbevingsactiviteit in het reservoir in de jaren na de bevingen is gebleken dat er een seizoensgebonden correlatie bestaat tussen het niveau van het reservoir en de seismiciteit. De seismiciteit neemt af naarmate het reservoir zich vult in de winter en de lente, en de grootste aardbevingen doen zich meestal voor wanneer het niveau van het reservoir daalt in de zomer en de herfst.
Geïnduceerde seismiciteit kan ook optreden wanneer watertoepassingen van de mens een breuk smeren. Studies van USGS en andere instellingen hebben een verband gelegd tussen de sterke toename van aardbevingsactiviteit in Oklahoma en andere staten in het midwesten en oosten van de VS in de afgelopen jaren en de toename van de praktijk van het injecteren van afvalwater in de grond bij aardoliewinning. Injectieputten brengen vloeistoffen ondergronds in poreuze geologische formaties, waar ze volgens wetenschappers soms kunnen binnendringen in begraven breuken die op het punt staan af te glijden, waardoor de poriëndruk op die breuken verandert en ze gaan afglijden.
Getting the Big Picture of the Earth System’s Interconnectivity
Lundgren zegt dat toen hij voor het eerst aardbevingen begon te bestuderen, alles erop gericht was om ze te begrijpen binnen de context van platentektoniek en processen die binnen de aardkorst plaatsvinden. Maar dat is nu aan het veranderen.
“In het afgelopen decennium of zo, met de wijdverspreide toepassing van nieuwe technologieën zoals GPS die een grotere ruimtelijke spreiding en gevoeligheid hebben, zijn mensen ook gaan kijken naar andere tweede-orde-effecten – andere factoren die van invloed zouden kunnen zijn op aardbevingen,” zei hij. “Het is zeer intrigerend om mogelijke verbanden te vinden tussen aardbevingen en klimaat, zoals seizoensgebonden verschillen. De uitdaging is echter om dergelijke verbanden in overeenstemming te brengen met de fundamentele natuurkunde.
“We zijn nog lang niet in staat om te voorspellen wanneer een aardbeving kan optreden als gevolg van klimaatprocessen,” concludeerde hij. “Zelfs als we weten dat een of ander klimaatproces van buitenaf mogelijk van invloed is op een breuksysteem, kunnen we, omdat we niet weten in hoeverre de breuk gereed is om te breken, nog niet die extra gevolgtrekking maken om te zeggen, ah ha, misschien krijg ik een week of een maand later een beving.”
Wat deze studies wel benadrukken, is de ongelooflijke complexiteit van ons aardsysteem. Voortgezet onderzoek zal ons helpen beter te ontrafelen hoe de verschillende onderdelen met elkaar verbonden zijn, soms op verrassende manieren.