De tvillingjordbävningar med magnituden 6,4 och 7,1 som drabbade Ridgecrest-området i Kaliforniens Mojaveöknen nordost om Los Angeles den 4 respektive 5 juli kändes av upp till 30 miljoner människor i Kalifornien, Nevada, Arizona och Baja California, vilket resulterade i förlust av människoliv, personskador, skador för flera miljarder dollar och en hel del spända nerver. Även om det avlägsna läget utan tvekan minimerade konsekvenserna fungerade skalven som en väckarklocka för självbelåtna kalifornier om att de bor i jordbävningsland och att de måste förbereda sig för det oundvikliga ”Big One” som enligt forskarna säkert kommer att inträffa. De fick också folk att prata om alla aspekter av jordbävningar.
Det finns många myter om jordbävningar. En vanlig är att det finns något sådant som ”jordbävningsväder” – vissa typer av väderförhållanden som vanligtvis föregår jordbävningar, t.ex. varmt och torrt eller torrt och molnigt. Myten härstammar från den grekiske filosofen Aristoteles, som på 400-talet f.Kr. föreslog att jordbävningar orsakades av instängda vindar som flydde från underjordiska grottor. Han trodde att de stora mängder luft som fångas in under jorden skulle göra vädret på jordytan före en jordbävning varmt och lugnt.
Med seismologins intåg – studiet av jordbävningar – vet vi nu att de flesta jordbävningar orsakas av tektoniska processer – krafter inom den fasta jorden som driver på förändringar i strukturen av jordskorpan, i första hand brott i underjordiska bergmassor längs förkastningar (linjära zoner av svagheter). Vi vet också att de flesta jordbävningar inträffar långt under jordytan, långt bortom påverkan av temperaturer och förhållanden på ytan. Slutligen vet vi att den statistiska fördelningen av jordbävningar är ungefär lika stor för alla typer av väderförhållanden. Enligt U.S. Geological Survey är den enda korrelation som noterats mellan jordbävningar och vädret att stora förändringar i det atmosfäriska trycket som orsakas av stora stormar som orkaner ibland utlöser så kallade ”långsamma jordbävningar”, som frigör energi under jämförelsevis långa perioder och inte resulterar i jordbävningar som traditionella jordbävningar gör. De konstaterar att även om sådana stora lågtrycksförändringar potentiellt skulle kunna bidra till att utlösa en skadlig jordbävning, ”är antalet små och inte statistiskt signifikanta.”
Men hur är det med klimatet? Finns det några samband mellan klimatfenomen och jordbävningar? Vi bad geofysikern Paul Lundgren vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, att göra en vetenskaplig genomgång av frågan.
Väga de seismiska konsekvenserna av vatten
För att kunna göra något samband mellan klimat och jordbävningar, säger Lundgren, måste man först fastställa vilka typer av tektoniska processer som kan vara relaterade till klimatfenomenen. Forskarna vet att jordbävningar kan utlösas eller hämmas av förändringar i spänningsmängden på en förkastning. Den största klimatvariabeln som kan förändra spänningsbelastningen på förkastningar är ytvatten i form av regn och snö. Lundgren säger att flera studier har gett stöd för sådana korrelationer. Men det finns en hake.
”Typiskt sett har vi sett dessa typer av samband i mikroseismicitet – små jordbävningar med magnituder mindre än noll, mycket mindre än vad människor kan känna”, säger han. ”Dessa inträffar ganska ofta.”
Lundgren citerade arbete som utförts av hans kollega Jean-Philippe Avouac vid Caltech och andra, som har funnit ett samband mellan mängden mikroseismicitet i Himalaya och den årliga monsunsäsongen. Under sommarmånaderna faller stora mängder nederbörd på den indogangetiska slätten, som omfattar de norra delarna av den indiska subkontinenten. Detta ökar spänningsbelastningen på jordskorpan där och minskar nivåerna av mikroseismicitet i den intilliggande Himalaya. Under vinterns torrperiod, när det finns mindre vattenvikt på jordskorpan i slätten, når Himalayas mikroseismicitet sin topp.
Lundgren säger att det dock blir mycket svårare att dra sådana slutsatser om större jordbävningar.
”Vi har sett att relativt små spänningsförändringar på grund av klimatliknande forcings kan påverka mikroseismiciteten”, säger han. ”Många små sprickor i jordskorpan är instabila. Vi ser också att tidvatten kan orsaka svaga jordbävningar som kallas mikroseismik. Men det verkliga problemet är att ta vår kunskap om mikroseismicitet och skala upp den för att tillämpa den på ett stort skalv, eller ett skalv av vilken storlek som helst som människor skulle kunna känna, egentligen.” Klimatrelaterade spänningsförändringar kan eller kan inte främja en jordbävning, men vi har inget sätt att veta hur mycket.
”Vi vet inte när en förkastning kan befinna sig vid den kritiska punkten där en icke-tektonisk forcering som är relaterad till en klimatprocess skulle kunna vara droppen som får bägaren att rinna över, vilket skulle resultera i en stor jordbävning, och varför just då och inte tidigare?”, sade han. ”Vi kan helt enkelt inte säga att klimatprocesser skulle kunna utlösa en stor jordbävning.”
Hur är det med torka?
Vi vet att säsongseffekter kan orsaka förändringar på sprickor, men hur är det med mindre periodiska klimatfenomen, som till exempel en långvarig torka? Kan de också orsaka förändringar?
Det visar sig att förändringar i stressbelastningen på jordskorpan från perioder av torka faktiskt kan vara betydande. Forskning som JPL-forskaren Donald Argus och andra utförde 2017 med hjälp av data från ett nätverk av GPS-stationer med hög precision i Kalifornien, Oregon och Washington visade att omväxlande perioder av torka och kraftig nederbörd i Sierra Nevada mellan 2011 och 2017 faktiskt ledde till att bergskedjan höjde sig med nästan en tum för att sedan sjunka med hälften så mycket, eftersom bergsberget förlorade vatten under torkan och sedan återfick det. Studien tittade inte specifikt på potentiella effekter på sprickor, men sådana stressförändringar skulle eventuellt kunna kännas på sprickor i eller i närheten av bergskedjan.
På samma sätt har människans pumpning av grundvatten från underjordiska akvifärer, som förvärras under perioder av torka, också visat sig påverka mönstren av spänningsbelastningar genom att ”avväga” jordskorpan. Lundgren pekade på en studie från 2014 i tidskriften Nature av Amos et al. som undersökte effekterna av grundvattenutvinning i Kaliforniens Central Valley på seismiciteten på det intilliggande San Andreas-förbrottet. Forskarna fann att sådana utvinningar kan främja laterala förändringar i spänningen på de två sidorna av San Andreas, som rör sig horisontellt mot varandra längs gränsen mellan två stora tektoniska plattor. Detta kan potentiellt leda till att de lossnar och glider, vilket kan resultera i en jordbävning.
”Sådana spänningar är små, men om du har grundvattenpumpning under en lång tidsperiod kan de bli mer betydande”, sade han. ”Även om sådana förändringar kan vara små jämfört med de spänningsförändringar som orsakas av den normala uppbyggnaden av spänningar på en förkastning från tektoniska processer, kan det potentiellt påskynda uppkomsten av nästa stora skalv på San Andreas. Eftersom glidningen på en förkastning ökar med tiden mellan jordbävningarna kan detta dessutom leda till mer frekventa men mindre jordbävningar.”
Men, säger Lundgren, Fort Tejon-segmentet av San Andreas-förkastningen som ligger närmast Central Valley bröts senast 1857, så med tanke på jordbävningarnas oberäkneliga karaktär längs förkastningen och den stora variationen i tid mellan händelserna är forskarna med vår nuvarande kunskapsnivå långt ifrån att förstå när och var nästa stora jordbävning kommer att inträffa på förkastningen.”
Fire and Ice: Glaciärer och tektoniska processer
Ett annat klimatrelaterat fenomen som tros ha kopplingar till tektoniska processer är glaciation. En glaciärs tillbakadragande kan minska spänningsbelastningen på jordskorpan under jorden, vilket påverkar rörelsen av magma under ytan. I en nyligen publicerad studie i tidskriften Geology om vulkanisk aktivitet på Island för 4 500-5 500 år sedan, då jorden var mycket kallare än i dag, fann man en koppling mellan deglaciation och ökad vulkanisk aktivitet. Omvänt, när glacialtäcket ökade minskade utbrotten.
Glaciärernas snabba rörelse har också visat sig orsaka så kallade glaciala jordbävningar. Glaciala jordbävningar på Grönland når sin högsta frekvens under sommarmånaderna och har ökat stadigt med tiden, möjligen som en reaktion på den globala uppvärmningen.
Mänsklig användning av vatten och inducerad seismicitet
Förutom vattnets klimatrelaterade påverkan på seismicitet kan mänsklig hantering och användningsområden för vatten också påverka jordbävningar genom ett fenomen som kallas inducerad seismicitet.
Som exempel kan nämnas att vatten som lagras i stora dammar har kopplats till jordbävningsaktivitet på olika platser runt om i världen, även om påverkan är av lokal karaktär. År 1975, ungefär åtta år efter det att Lake Oroville i norra Kalifornien, delstatens näst största av människor byggda reservoar, skapades bakom Oroville-dammen, inträffade en serie jordbävningar i närheten, varav den största registrerade en magnitud på 5,7. Strax efter att vattnet i reservoaren dragits ner till den lägsta nivån sedan den ursprungligen fylldes för att reparera intag till dammens kraftverk och sedan fylldes på igen inträffade jordbävningarna.
I flera undersökningar av jordbävningarna drogs slutsatsen att fluktuationer i vattennivån i reservoaren, och motsvarande förändringar i reservoarens vikt, förändrade spänningsbelastningen på en lokal förkastning, vilket utlöste jordbävningarna. Övervakning av jordbävningsaktiviteten vid reservoaren under åren efter skalven fastställde ett säsongsmässigt samband mellan reservoarens nivå och seismicitet. Seismiciteten minskar när reservoaren fylls på vintern och våren, och de största jordbävningarna tenderar att inträffa när reservoarens nivå sjunker på sommaren och hösten.
Inducerad seismicitet kan också uppstå när människans vattenanvändning smörjer en förkastning. Studier av USGS och andra institutioner har kopplat kraftiga ökningar av jordbävningsaktiviteten i Oklahoma och andra delstater i Mellanvästern och östra USA under de senaste åren till ökad praxis att injicera avloppsvatten i marken i samband med oljeverksamhet. Injektionsbrunnar placerar vätskor under jorden i porösa geologiska formationer, där forskarna tror att de ibland kan tränga in i begravda sprickor som är redo att glida, förändra portrycket på dem och få dem att glida.
Geting the Big Picture of the Earth System’s Interconnectivity
Lundgren säger att när han först började studera jordbävningar var allt fokuserat på att förstå dem inom ramen för plattektonik och processer som sker i jordskorpan. Men det håller nu på att förändras.
”Under det senaste decenniet eller så, med det utbredda införandet av ny teknik som GPS som har större rumslig fördelning och känslighet, har folk också börjat titta på andra andra ordningens effekter – andra faktorer som kan ha ett inflytande på jordbävningar”, säger han. ”Det är mycket spännande att kunna hitta potentiella kopplingar mellan jordbävningar och klimat, t.ex. säsongsskillnader. Utmaningen är dock att få ihop sådana kopplingar med grundläggande fysik.”
”Vi är inte i närheten av att kunna förutsäga när en jordbävning kan inträffa som ett resultat av klimatprocesser”, avslutade han. ”Även om vi vet att någon extern klimatprocess potentiellt påverkar ett förskjutningssystem, kan vi, eftersom vi inte känner till förskjutningens potentiella beredskap att brista, ännu inte dra den extra slutsatsen att vi kan säga, ah ha, jag kanske får en jordbävning en vecka eller en månad senare.”
Det som dessa studier understryker är den otroliga komplexiteten hos vårt jordsystem. Fortsatt forskning kommer att hjälpa oss att bättre reda ut hur dess olika komponenter är sammankopplade, ibland på överraskande sätt.