Podwójne trzęsienia ziemi o magnitudach 6.4 i 7.1, które nawiedziły obszar Ridgecrest na kalifornijskiej pustyni Mojave na północny wschód od Los Angeles, odpowiednio 4 i 5 lipca, były odczuwalne przez do 30 milionów ludzi w Kalifornii, Nevadzie, Arizonie i Baja California, powodując utratę życia, obrażenia, miliardy w zniszczeniach i mnóstwo zszarganych nerwów. Podczas gdy odległa lokalizacja niewątpliwie zminimalizowała skutki trzęsienia, trzęsienia te posłużyły jako sygnał alarmowy dla zadowolonych z siebie Kalifornijczyków, że żyją w kraju trzęsień ziemi i muszą przygotować się na nieuniknione „Wielkie Trzęsienie”, które według naukowców na pewno nadejdzie. Sprawiły one również, że ludzie zaczęli rozmawiać o wszystkich aspektach trzęsień ziemi.
Istnieje wiele mitów na temat trzęsień ziemi. Jednym z nich jest to, że istnieje coś takiego jak „pogoda dla trzęsień ziemi” – pewne rodzaje warunków pogodowych, które zazwyczaj poprzedzają trzęsienia ziemi, takie jak gorące i suche lub suche i pochmurne. Mit ten wywodzi się od greckiego filozofa Arystotelesa, który w IV wieku p.n.e. zaproponował, aby trzęsienia ziemi były powodowane przez uwięzione wiatry wydostające się z podziemnych jaskiń. Wierzył on, że duża ilość powietrza uwięzionego pod ziemią sprawi, że pogoda na powierzchni Ziemi przed trzęsieniem będzie gorąca i spokojna.
Z chwilą pojawienia się sejsmologii – nauki o trzęsieniach ziemi – wiemy teraz, że większość trzęsień ziemi jest spowodowana procesami tektonicznymi – siłami w obrębie stałej Ziemi, które napędzają zmiany w strukturze skorupy ziemskiej, głównie rozerwanie podziemnych mas skalnych wzdłuż uskoków (liniowych stref słabości). Wiemy również, że większość trzęsień ziemi występuje daleko pod powierzchnią Ziemi, daleko poza wpływem temperatur i warunków panujących na powierzchni. Wreszcie, wiemy, że statystyczny rozkład trzęsień ziemi jest w przybliżeniu równy we wszystkich typach warunków pogodowych. Mit obalony.
W rzeczywistości, według U.S. Geological Survey, jedyną korelacją, która została zauważona pomiędzy trzęsieniami ziemi a pogodą jest to, że duże zmiany ciśnienia atmosferycznego spowodowane przez duże burze, takie jak huragany, okazały się czasami wyzwalać to, co jest znane jako „powolne trzęsienia ziemi”, które uwalniają energię w stosunkowo długich okresach czasu i nie powodują wstrząsów ziemi, jak tradycyjne trzęsienia ziemi. Zauważają oni, że podczas gdy takie duże zmiany niskiego ciśnienia mogą potencjalnie przyczynić się do wywołania niszczącego trzęsienia ziemi, „liczby są małe i nie są statystycznie istotne.”
Ale co z klimatem? Czy istnieją jakieś powiązania między zjawiskami klimatycznymi a trzęsieniami ziemi? Poprosiliśmy geofizyka Paula Lundgrena z Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA w Pasadenie, w Kalifornii, aby przeprowadził naukowe badanie w tej sprawie.
Weighing the Seismic Consequences of Water
Aby stworzyć jakikolwiek związek między klimatem a trzęsieniami ziemi, mówi Lundgren, trzeba najpierw ustalić, jakie rodzaje procesów tektonicznych mogą być związane ze zjawiskami klimatycznymi. Naukowcy wiedzą, że trzęsienia ziemi mogą być wywoływane lub hamowane przez zmiany w ilości naprężeń na uskoku. Największą zmienną klimatyczną, która może zmienić obciążenie uskoku naprężeniami, jest woda powierzchniowa w postaci deszczu i śniegu. Lundgren twierdzi, że kilka badań potwierdziło takie korelacje. Ale jest pewien haczyk.
„Zazwyczaj, tam gdzie widzieliśmy tego typu korelacje jest mikrosejsmiczność — małe trzęsienia ziemi o magnitudzie mniejszej niż zero, o wiele mniejsze niż ludzie mogą odczuć,” powiedział. „Te występują dość często.”
Lundgren przytoczył pracę swojego kolegi Jean-Philippe Avouac w Caltech i innych, którzy znaleźli korelację pomiędzy ilością mikrosejsmiczności w Himalajach a roczną porą monsunową. W miesiącach letnich duże ilości opadów spadają na Nizinę Indo-Gangetyczną, która obejmuje północne regiony subkontynentu indyjskiego. Zwiększa to obciążenia naprężeniowe skorupy ziemskiej w tym rejonie i obniża poziom mikrosejsmiczności w przyległych Himalajach. W zimowej porze suchej, gdy na równinie jest mniejszy ciężar wody na skorupie ziemskiej, mikrosejsmiczność himalajska osiąga szczyt.
Lundgren mówi, że znacznie trudniej jest jednak wyciągać takie wnioski na temat większych trzęsień ziemi.
„Widzieliśmy, że stosunkowo niewielkie zmiany naprężeń spowodowane wymuszeniami podobnymi do klimatycznych mogą wpływać na mikrosejsmiczność,” powiedział. „Wiele małych pęknięć w skorupie ziemskiej jest niestabilnych. Widzimy również, że pływy morskie mogą powodować słabe wstrząsy Ziemi znane jako mikrosejsmiczne. Ale prawdziwym problemem jest wzięcie naszej wiedzy o mikrosejsmiczności i przeskalowanie jej tak, aby zastosować ją do dużego trzęsienia ziemi, lub trzęsienia o dowolnej wielkości, które ludzie mogliby poczuć, naprawdę.” Zmiany naprężeń związane z klimatem mogą lub nie mogą promować trzęsienie ziemi do wystąpienia, ale nie mamy sposobu, aby wiedzieć, o ile.
„Nie wiemy, kiedy uskok może być w punkcie krytycznym, w którym nietektoniczne wymuszenie związane z procesem klimatycznym może być słomą, która łamie grzbiet wielbłąda, powodując duże trzęsienie ziemi, i dlaczego wtedy, a nie wcześniej?” powiedział. „W tym momencie po prostu nie jesteśmy w stanie powiedzieć, że procesy klimatyczne mogą wywołać duże trzęsienie ziemi.”
Co z suszami?
Wiemy, że efekty sezonowe mogą powodować zmiany na uskokach, ale co z mniej okresowymi zjawiskami klimatycznymi, takimi jak długotrwała susza? Czy one również mogą powodować zmiany?
Jak się okazuje, zmiany w obciążeniach skorupy ziemskiej spowodowane okresami suszy mogą być w rzeczywistości znaczące. Badania przeprowadzone przez naukowca JPL Donalda Argusa i innych w 2017 roku z wykorzystaniem danych z sieci precyzyjnych stacji GPS w Kalifornii, Oregonie i Waszyngtonie wykazały, że naprzemienne okresy suszy i obfitych opadów w Sierra Nevada w latach 2011-2017 faktycznie spowodowały, że pasmo górskie podniosło się o prawie cal, a następnie spadło o połowę tej kwoty, ponieważ skały górskie straciły wodę podczas suszy, a następnie ją odzyskały. Badanie nie przyjrzało się konkretnie potencjalnemu wpływowi na uskoki, ale takie zmiany naprężeń mogłyby być potencjalnie odczuwalne na uskokach w lub w pobliżu pasma.
Podobnie, pompowanie wód gruntowych z podziemnych warstw wodonośnych przez ludzi, które nasila się w czasie suszy, również wpływa na wzorce obciążeń naprężeniowych poprzez „rozregulowanie” skorupy ziemskiej. Lundgren zwrócił uwagę na badanie przeprowadzone w 2014 r. w czasopiśmie Nature przez Amosa i in., którzy analizowali wpływ wydobycia wód gruntowych w kalifornijskiej Central Valley na sejsmiczność sąsiedniego uskoku San Andreas. Naukowcy odkryli, że takie ekstrakcje mogą promować boczne zmiany w naprężeniach na dwóch stronach San Andreas, które poruszają się poziomo względem siebie wzdłuż granicy dwóch głównych płyt tektonicznych. Mogłoby to potencjalnie spowodować ich odblokowanie i poślizg, powodując trzęsienie ziemi.
„Takie naprężenia są małe, ale jeśli masz pompowanie wód gruntowych przez długi okres czasu, to mogą stać się bardziej znaczące”, powiedział. „Nawet jeśli takie zmiany mogą być niewielkie w porównaniu ze zmianami stresu spowodowanymi przez normalne narastanie stresu na uskoku z procesów tektonicznych, może to potencjalnie przyspieszyć początek następnego dużego trzęsienia ziemi na San Andreas. Ponadto, ponieważ ilość poślizgu na uskoku wzrasta z czasem pomiędzy trzęsieniami ziemi, może to spowodować częstsze, ale mniejsze trzęsienia.”
Jednakże, mówi Lundgren, segment Fort Tejon uskoku San Andreas, który znajduje się najbliżej Central Valley, pękł ostatnio w 1857 roku, więc biorąc pod uwagę nieregularną naturę trzęsień ziemi wzdłuż uskoku i dużą zmienność w czasie między wydarzeniami, z naszym obecnym poziomem wiedzy, naukowcy są dalecy od zrozumienia, kiedy i gdzie wystąpi na nim następne duże trzęsienie ziemi.
Fire and Ice: Glaciers and Tectonic Processes
Innym zjawiskiem związanym z klimatem, które uważa się za mające związek z procesami tektonicznymi, jest zlodowacenie. Cofanie się lodowca może zmniejszyć obciążenia naprężeniowe skorupy ziemskiej, wpływając na ruchy magmy podpowierzchniowej. Ostatnie badania w czasopiśmie Geology, dotyczące aktywności wulkanicznej na Islandii między 4500 a 5500 lat temu, kiedy Ziemia była znacznie chłodniejsza niż obecnie, wykazały związek między deglacjacją a zwiększoną aktywnością wulkaniczną. I odwrotnie, kiedy pokrywa lodowcowa wzrosła, erupcje zmalały.
Szybkie przemieszczanie się lodowców zostało również wykazane jako przyczyna tak zwanych lodowcowych trzęsień ziemi. Lodowcowe trzęsienia ziemi na Grenlandii występują z największą częstotliwością w miesiącach letnich i z czasem stale się nasilają, prawdopodobnie w odpowiedzi na globalne ocieplenie.
Użytkowanie wody przez człowieka i indukowana sejsmiczność
Oprócz związanego z klimatem wpływu wody na sejsmiczność, zarządzanie wodą przez człowieka i jej zastosowania mogą również wpływać na trzęsienia ziemi poprzez zjawisko znane jako sejsmiczność indukowana.
Na przykład, woda przechowywana w dużych tamach została powiązana z aktywnością trzęsień ziemi w różnych miejscach na świecie, choć wpływ ten ma charakter lokalny. W 1975 roku, około osiem lat po tym, jak jezioro Oroville w Północnej Kalifornii, drugi co do wielkości zbiornik wodny w stanie zbudowany przez człowieka, zostało utworzone za tamą Oroville, w pobliżu wystąpiła seria trzęsień ziemi, z których największe zarejestrowano o magnitudzie 5,7. Krótko po tym, jak woda w zbiorniku została ściągnięta do najniższego poziomu od czasu jego pierwotnego napełnienia w celu naprawy wlotów do elektrowni przy zaporze, a następnie ponownie napełniona, wystąpiły trzęsienia ziemi.
Wielokrotne badania badające trzęsienia doszły do wniosku, że wahania poziomu wody w zbiorniku, i odpowiadające im zmiany masy zbiornika, zmieniły obciążenia naprężeniowe na lokalnym uskoku, wywołując trzęsienia. Monitoring aktywności trzęsień ziemi w zbiorniku w latach następujących po trzęsieniach ustalił sezonową korelację pomiędzy poziomem zbiornika a sejsmicznością. Sejsmiczność maleje wraz z napełnianiem się zbiornika zimą i wiosną, a największe trzęsienia ziemi mają tendencję do występowania, gdy poziom zbiornika spada latem i jesienią.
Sejsmiczność indukowana przez człowieka może również wystąpić, gdy aplikacje wodne smarują uskok. Badania przeprowadzone przez USGS i inne instytucje powiązały gwałtowny wzrost aktywności trzęsień ziemi w Oklahomie i innych środkowo-zachodnich i wschodnich stanach USA w ostatnich latach z nasileniem praktyki wstrzykiwania ścieków do ziemi podczas eksploatacji złóż ropy naftowej. Studnie iniekcyjne umieszczają płyny pod ziemią w porowatych formacjach geologicznych, gdzie naukowcy uważają, że mogą one czasami dostać się do zakopanych uskoków, które są gotowe do poślizgu, zmieniając ciśnienie porowe na nich i powodując ich poślizg.
Getting the Big Picture of the Earth System’s Interconnectivity
Lundgren mówi, że kiedy po raz pierwszy zaczął badać trzęsienia ziemi, wszystko skupiało się na zrozumieniu ich w kontekście tektoniki płyt i procesów zachodzących w skorupie ziemskiej. Ale teraz to się zmienia.
„W ostatniej dekadzie lub tak, z powszechnym przyjęciem nowych technologii, takich jak GPS, które mają większą dystrybucję przestrzenną i czułość, ludzie zaczęli również patrzeć na inne efekty drugiego rzędu – inne czynniki, które mogą mieć wpływ na trzęsienia ziemi,” powiedział. „Bardzo intrygująca jest możliwość znalezienia potencjalnych powiązań między trzęsieniami ziemi a klimatem, takich jak różnice sezonowe. Wyzwaniem jest jednak pogodzenie takich powiązań z fundamentalną fizyką.
„Nie jesteśmy bliscy możliwości przewidzenia, kiedy trzęsienie ziemi może wystąpić w wyniku procesów klimatycznych,” podsumował. Nawet jeśli wiemy, że jakiś zewnętrzny proces klimatyczny ma potencjalny wpływ na system uskoków, ponieważ nie znamy potencjalnego stanu gotowości uskoku do pęknięcia, nie możemy jeszcze przeprowadzić dodatkowego wnioskowania, aby powiedzieć: „Aha, może dojść do trzęsienia ziemi tydzień lub miesiąc później.”
To, co podkreślają te badania, to niesamowita złożoność naszego systemu ziemskiego. Ciągłe badania pomogą nam lepiej zrozumieć, jak jego różne składniki są ze sobą powiązane, czasem w zaskakujący sposób.