Een vreemde aardbevingszwerm hield jarenlang aan. We weten nu eindelijk waarom.

Uit nieuw, zeer gedetailleerd onderzoek van de aardkorst blijkt wat de oorzaak is van meer dan 22.000 kleine bevinkjes die in Zuid-Californië plaatsvonden.

Gepubliceerd 22 jun. 2020 13:52 CEST, Geüpdatet 5 nov. 2020 06:20 CET
Seismologen onderzochten een cluster van 22.698 kleine aardbevingen die in de loop van vier jaar plaatsvonden.

Seismologen onderzochten een cluster van 22.698 kleine aardbevingen die in de loop van vier jaar plaatsvonden.

Foto van RILEY D. CHAMPINE, NGM STAFF; BRON: ZACHARY ROSS, CALTECH; USGS; USDA

Begin 2016 startte, zonder enige duidelijke aanleiding, stilletjes een ‘aardbevingszwerm’ (een serie van meestal kleine bevingen) in Zuid-Californië. De bevingen vonden niet elke dag plaats en de meeste waren te gering om door mensen te worden waargenomen, maar maand na maand nam het aantal trillingen toe. In de lente van 2018 waren er elke maand duizenden kleine bevinkjes. Sommige daarvan waren groot genoeg om lampen te laten slingeren en inwoners van plaatsen in de regio de zenuwen te bezorgen. In de afgelopen vier jaar ging het om meer dan 22.000 bevingen. Maar de bron van al die activiteit was al die tijd een raadsel.

Nu hebben wetenschappers de waarschijnlijke oorzaak gevonden dankzij het meest gedetailleerde onderzoek ooit naar een seismische zwerm. Door de uitkomst van dit onderzoek kunnen geologen over de hele wereld meer te weten komen over de onderliggende fysica van zowel grote als kleine aardbevingen. Uiteindelijk zou met deze methode zelfs de real-time waarneming van aardbevingen kunnen verbeteren.

Met behulp van een computeralgoritme werden de locaties en tijdstippen van de bevinkjes nageplozen, waardoor er een ongelooflijk nauwkeurig beeld ontstond van de activiteit die zich langs een webachtig netwerk van breuken voordeed. Uit dit nauwgezette beeld van de ontwikkeling van de zwerm kwam naar voren dat de serie bevingen werd veroorzaakt door vloeistoffen die op natuurlijke wijze in het breukensysteem terechtkwamen. Dit vormt een aanwijzing dat vloeistoffen mogelijk ook een rol spelen in zwermen die elders ter wereld worden waargenomen, en de gebruikte methode zou nuttig kunnen blijken voor het seismisch onderzoek overal op aarde.

“De mate van detail die we hier zien is ongelooflijk,” stelt seismoloog Elizabeth Vanacore. Ze is werkzaam bij het Puerto Rico Seismic Network van de Universidad de Puerto Rico in Mayagüez en maakte geen deel uit van het onderzoeksteam. “Dit is zeer geavanceerd onderzoek, dit is waar het in de wetenschap naartoe gaat.”

Een aardbevingszwerm opmerken

Ooit werden de kloven in de aardkorst rond een breuklijn gezien als simpele structuren, maar “in werkelijkheid zijn breukzones zeer complexe gebieden,” vertelt Emily Roland, die als marien seismoloog werkt aan de University of Washington en die geen deel uitmaakte van het onderzoeksteam. Sommige breuken vertonen een kromming. Andere lopen kriskras onder de grond. De breuken die in het nieuwe onderzoek zijn geanalyseerd vormen een onderaards labyrint dat zich over enkele kilometers uitstrekt.

De aardbevingszwerm waardoor deze fijnmazige structuur aan het licht kwam, bleef tot 2017 onopgemerkt. Toen belandde er een e-mail van een nieuwsgierige burger in de inbox van het Southern California Seismic Network. In de mail werd navraag gedaan naar een cluster van kleine bevingen die plaatsvond in een dunbevolkte regio in de staat.

Aardbevingen 101
Aardbevingen kunnen enorme verwoestingen veroorzaken, maar ook de meest prachtige landschapsformaties op aarde vormen.

Een vluchtig onderzoek leverde niets bijzonders op, vertelt Zachary Ross, de geofysicus van het California Institute of Technology die de leiding had over het onderzoek waarover op 18 juni een artikel verscheen in het vakblad Science. In het gebied, dat op zo'n vijftien kilometer ligt van de zeer actieve San Jacinto-breukzone, komen vaak kleine bevingen voor. Maar toen ze verder op zoek gingen naar de seismische geschiedenis van de regio, zagen de onderzoekers dat de schrijver van de e-mail gelijk had: sinds ongeveer een jaar daarvoor, het jaar 2016, had zich een zwerm van kleine trillingen voorgedaan langs de rand van het reservaat van de Cahuilla Band of Mission Indians.

Dergelijke zwermen van kleine bevingen zijn anders dan grote aardbevingen, die vaak volgens een bekend patroon verlopen: er vindt een heftige schok plaats, gevolgd door een serie naschokken die langzaam afnemen in hevigheid en frequentie gedurende een bepaalde periode.

Aardbevingszwermen lijken daar in de verste verte niet op. Het is zeer onvoorspelbaar hoe ze verlopen en ze bestaan soms uit honderden of duizenden kleine of middelgrote aardbevingen, allemaal van dezelfde kracht. De meeste zwermen doen zich voor als een serie bevingen die uren, dagen of zelfs maanden aanhouden. In Puerto Rico, waar veel zwermen voorkomen, duren de series vaak tussen de 36 en 48 uur, aldus Vanacore.

Hoewel er vaak een relatie wordt gelegd tussen een zwerm en een borrelende vulkaan, zijn er ook zwermen die zich voordoen in gebieden die ver verwijderd zijn van enige grote activiteit. Het risico op schade door deze fenomenen is zeer wisselend. De zwerm bij Cahuilla veroorzaakte bevingen vanaf begin 2016 tot en met vorig jaar, maar ze waren allemaal zeer gering en veroorzaakten in die vier jaar geen enkele schade.

“Hoe ze beginnen en waarom ze doen wat ze doen, daarover wordt nog gediscussieerd,” vertelt aardbevingsseismoloog Abhijit Ghosh van de University of California, Riverside, die niet betrokken was bij het onderzoek.

Om deze fenomenen in detail te kunnen onderzoeken, hadden wetenschappers een methode nodig om alle kleine bevingen op te sporen in gigantische hoeveelheden seismische gegevens. In de afgelopen jaren werkten Ross en zijn collega's aan nieuwe methoden om aardbevingen waar te nemen en te registreren met behulp van machine learning. Door gegevens over aardbevingen die door menselijke experts waren ontdekt in te voeren in de algoritmen van een neuraal netwerk, leerde de computer om kleine aardbevingen te herkennen in de enorme hopen krabbels die seismografen produceren.

“We besloten deze algoritmen ook los te laten op de dataset van de zwerm bij Cahuilla,” legt Ross uit.

Het ondergrondse labyrint 

Het leverde een opmerkelijk veelzijdig beeld op van de achtergrond van de Cahuilla-zwerm. De onderzoekers kwamen tot de conclusie dat er een vloeistofreservoir, mogelijk van water of vloeibare kooldioxide, onder de breukstructuur lag. Vele jaren lang was die vloeistof afgescheiden geweest van het breuksysteem, maar in 2016 brak de stenen afscheiding om de een of andere reden door. Er stroomde vloeistof in de breuk, waardoor de druk in het systeem veranderde en de kloven werden ‘gesmeerd’. Daardoor ontstonden de eerste bevingen van de zwerm, op zo'n acht kilometer diepte.

In de loop van de maanden die daarop volgden, breidde de zwerm zich vanuit dit startpunt langzaam uit, naar boven en naar buiten. Een front van bevingen verspreidde zich via ondergrondse breuken in het gesteente, op exact dezelfde manier waarop een vloeistof zich verspreidt. Sommige routes van het bevingenfront liepen dood, misschien omdat de vloeistof het eind van een breuk had bereikt. Op andere momenten leek het of de bevingen even halt hielden bij een grens, waarna ze zich naar een zijkant bewogen alvorens hun route weer te vervolgen, vergelijkbaar met de manier waarop een rivier rond een rots stroomt.

In augustus 2018, bijna drie jaar nadat de zwerm begon, leek een bepaalde bijzonder robuuste blokkade de opwaartse beweging van de vloeistof in de weg te staan. De bevingen bogen af en vonden uiteindelijk een nieuw pad om zich richting de oppervlakte te bewegen. Dat was het moment dat de grootste aardbeving in de zwerm werd gemeten - met een kracht van 4.4 had iedereen die er recht boven had gestaan de beving door de grond voelen trekken. De schok was volgens Ross een “enorme opdonder voor het systeem”, die een opleving van kleinere bevingen veroorzaakte in een laatste uitbarsting van energie, waarna de zwerm ten einde kwam.

Al met al biedt het onderzoek een overtuigend beeld van vloeistof die in een breukzone belandt en daarmee een vier jaar durende rilling door het gesteente onder Zuid-Californië stuurt. Het is mogelijk dat vloeistof die op een dergelijke manier wegloopt ook elders op aarde de oorzaak is van aardbevingszwermen, maar er zijn waarschijnlijk meerdere oorzaken voor series van bevingen.

“Elke zwerm, elk specifiek gebied, heeft zijn eigen eigenaardigheden, zijn eigen identiteit,” aldus Vanacore. Zo rommelen zwermen in Puerto Rico relatief ver onder het aardoppervlak en zijn die mogelijk het gevolg van een scheur in een tektonische plaat die in de diepte duikt..

Het onderzoek is ook een voorbeeld van hoe machine-learning geologen kan helpen bij het gedetailleerd in kaart brengen van onderaardse gebieden van onze planeet. Elke aardbeving is als een puntje in een pointillistisch schilderij. Wanneer je alleen de grootste bevingen bestudeert, zie je niet meer dan een rommelig hoopje vlekken. Door ook de kleine bevingen in het beeld op te nemen, komt een volledig portret tevoorschijn van de complexe fysische verschijnselen die schuilgaan achter het knarsen en trillen van onze planeet.

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

lees verder

Seismologen meten hoe coronavirus de wereld ‘stil’ maakt

Nu mensen niet langer reizen of naar hun werk gaan, trilt het aardoppervlak een stuk minder – iets wat seismologen met hun instrumenten hebben opgepikt.

Nieuw seismisch fenomeen ontdekt: stormbevingen

De bijzondere energie-uitbarstingen ontstaan door zware stormen en kunnen zich duizenden kilometers over continenten uitstrekken.

Seismisch mysterie mogelijk opgelost met baanbrekende aardbevingscatalogus

In een laboratorium nagebootste aardbevingen wijzen uit dat er al vóór een grote beving activiteit waar te nemen moet zijn, maar in de natuur was dit patroon niet zichtbaar. Tot nu.
Lees meer