Op een lentemiddag in 2010 raasde een aardbeving met een grootte van 7,2 op de Schaal van Richter langs het huis van Rosario García González in Baja California. González, een van de ouderen van de inheemse Cucapah-gemeenschap, omschreef het bijzondere schouwspel later voor wetenschappers: de beving die de aarde openscheurde liet een stofwolk achter, alsof er een auto door het met struiken begroeide landschap racete.
Maar het leek of de auto de verkeerde kant opreed.
Aardbevingen trekken meestal in een enkele richting door de aarde, als een scheur die door een blaadje papier trekt. Maar volgens González ging de stofwolk van de zich verplaatsende beving terug richting de plek waar de schok was begonnen, en dus precies in de tegenovergestelde richting die wetenschappers zouden verwachten.
Dit ooggetuigenverslag van een terugrazende schokgolf leidde tot opwinding onder wetenschappers. Orlando Teran, die toen bezig was met zijn promotieonderzoek aan het Ensenada Center for Scientific Research and Higher Education, noemt de omschrijving “spectaculair.” Maar het bleef onduidelijk wat er die dag precies was gebeurd, omdat er geen seismisch bewijs was voor wat González had gezien.
Maar nu heeft een internationaal team van onderzoekers een van die ‘boemerangbevingen’ in volle glorie weten vast te leggen terwijl deze eerst de ene kant uitraasde en vervolgens weer exact dezelfde route terugnam.
De aardbeving met een kracht van 7,1 had zijn oorsprong diep in de aarde, in een breuk in de zeebodem van de Atlantische Oceaan, ruim duizend kilometer voor de kust van het West-Afrikaanse Liberia. De schok verplaatste zich in een ongehoord tempo oostwaarts en omhoog, draaide abrupt om en keerde terug langs de bovenkant van de breuk. De snelheid was zo groot dat er een geologische versie van een supersonische knal, oftewel een ‘sonic boom’, ontstond.
De heftigste trillingen van een aardbeving vinden meestal plaats in de richting waarin de schokken zich bewegen. Maar bij een boemerangbeving, oftewel een ‘back-propagating rupture’ zoals de wetenschappelijke Engelstalige term luidt, kunnen de heftige bevingen zich in een uitgebreider gebied voordoen. Het blijft onduidelijk hoe vaak boemerang-aardbevingen voorkomen, en hoeveel daarvan zich zo snel verplaatsen. Maar het nieuwe onderzoek, waarover onlangs een artikel verscheen in het vakblad Nature Geoscience, betekent een grote stap voorwaarts in het achterhalen van de complexe fysica die ten grondslag ligt aan dit natuurfenomeen. Ook levert dit meer kennis op over de risico's die het fenomeen met zich meebrengt.
“Dankzij onderzoeken als deze kunnen we te weten komen hoe de breuken bij eerdere aardbevingen verliepen, hoe dat mogelijk in de toekomst kan gaan, en wat dat betekent voor eventuele gevaren van breuken in de buurt van dichtbevolkte gebieden,” stelt Kasey Aderhold seismoloog bij de Amerikaanse Incorporated Research Institutions for Seismology in een e-mail.
Een schok in de bodem
De meest recente ‘boemerang’ werd geregistreerd in de buurt van de mid-oceanische rug in de Atlantische Oceaan, waar de Zuid-Amerikaanse en Afrikaanse tektonische platen langzaam van elkaar af bewegen. In het voorjaar van 2016 plaatsten onderzoekers 39 seismometers in de buurt van de rug. Ze wilden gegevens verzamelen over de trillingen van verafgelegen bevingen, om zo een beeld te krijgen van de basis van de tektonische plaat.
Een paar maanden later trokken de trillingen van de aardbeving met een kracht van 7,1 langs. De beving vond plaats in een kloof die in de buurt ligt van wat de Romanche Fracture Zone wordt genoemd, stelt Stephen Hicks. Hij is een in aardbevingen gespecialiseerde seismoloog van het Imperial College London en is de hoofdauteur van het artikel.
De verzameling seismometers legden braaf in een serie krabbels de gegevens vast over de bevende bodem, onder meer een tweetal schokken. Die wekten de nieuwsgierigheid van Hicks en zijn collega's, en ze besloten die nader te bekijken. Ze meenden twee fasen van de beving te herkennen. Door de ligging van het epicentrum te combineren met gegevens over de energie die in elke trillingsfase vrijkwam, kon het team het grotere plaatje zien: de beving bewoog zich in eerste instantie richting het oosten, maar kwam daarna terug in westelijke richting. “Dat leverde een vreemde configuratie op,” zegt hij.
Het team was er nog niet zeker van dat de aardbeving zich ook daadwerkelijk heen en weer had bewogen. Daarom nam Hicks contact op met Ryo Okuwaki van de University of Tsukuba in Japan, die op zoek ging naar vage echo's van het verschijnsel die waren opgevangen door seismometers op andere locaties op aarde. Analyse van deze vage sporen leverde binnen enkele dagen een antwoord op: de beving was inderdaad vermoedelijk heen en weer gekaatst.
Computermodellen wezen uit dat de beving mogelijk diep in de aarde ontstond, en zich richting het oosten verplaatste tot deze in de buurt van de mid-oceanische rug kwam. Eenmaal daar maakte hij rechtsomkeert en raasde terug door het bovenste deel van de kloof. Dit tweede deel van de beving verplaatste zich met een opmerkelijke snelheid, een fenomeen dat ook wel een ‘supershear’ wordt genoemd. De beving trok een scheur door de aarde met zo'n 17.500 kilometer per uur. Met die snelheid duurt een tripje New York - Londen 18,5 minuten. Dat gaat zo snel dat de seismische golven op dezelfde manier worden samengedrukt als in de mach-kegel van drukgolven die wordt veroorzaakt door een vliegtuig op supersonische snelheid. De kegel van samengeperste golven van een supershear-aardbeving zorgt dat de vernietigende kracht van een beving nog toeneemt.
Een boel boemerangs
Om erachter te komen hoe groot de risico's zijn die aardbevingen vormen, is het van cruciaal belang om te weten wanneer en waarom dergelijke boemerang-fenomenen plaatsvinden. Het kan zijn dat het trillen van een aardbeving zich concentreert aan het einde van een kloof, in de richting waarop de beving zich beweegt. Dit proces lijkt op dat waarbij de hoge tonen van de toeter van een passerende trein worden gedempt. “Zoals bij het dopplereffect,” aldus seismoloog Lingsen Meng van de University of California, Los Angeles, die geen deel uitmaakt van het onderzoeksteam. Hoewel algemeen wordt aangenomen dat deze geconcentreerde trilling slechts in een richting gaat, zou de trilling zich bij een boemerang in twee tegenover elkaar liggende gebieden kunnen concentreren. En bij een supershear-beving zou de trilling nog verergeren.
Maar er is nog minstens één vraag die moet worden beantwoord: hoe vaak komt dit voor?
Een boemerangbeving met een supershear-snelheid, zoals het team in de Atlantische Oceaan waarnam, zou wel eens een zeldzaam verschijnsel kunnen zijn. “Voor zover ik weet, is dit de eerste keer dat er een melding is van een dergelijk verschijnsel,” vertelt geofysicus Yoshihiro Kaneko van GNS Science in Nieuw-Zeeland, die niet betrokken was bij het onderzoeksteam.
Maar de bewijzen voor boemerangbevingen stapelen zich op. Dergelijke heen-en-weer-fenomenen zijn bestudeerd in computermodellen en ook gesimuleerd in laboratoriumexperimenten. “Theoretisch gezien bestaan ze, maar het valt nog niet mee om ze in de echte wereld te zien,” aldus geofysicus Louisa Brotherson die voor haar promotieonderzoek aan de Britse University of Liverpool aardbevingen simuleert in het laboratorium.
Er zijn boemerangbreuken waargenomen tijdens zogenaamde langzame aardbevingen, die niet plotseling optreden maar zich langzaam voltrekken, in een periode van dagen of zelfs maanden, vertelt seismoloog Jean-Paul Ampuero van de Université Côte d'Azur in Frankrijk. Hij vond onlangs ‘back-propagating’ bevingen in computersimulaties.
Ook bij andere bevingen waren er aanwijzingen dat sprake was van een boemerangeffect. Volgens sommige wetenschappers was er bij de aardbeving in Tohoku met een kracht van 9,0 die in 2011 in Japan plaatsvond mogelijk sprake van een boemerangbreuk. Het was de krachtigste beving sinds de metingen werden bijgehouden. Bij de aardbeving die in 2016 Kumamoto op zijn grondvesten liet schudden leek sprake van een zelfde breukproces. Bij die gelegenheid, leidde de eerste beving tot twee andere schokken, waarvan er zich een razendsnel terugverplaatste en deels overlapte met de eerste breuk.
“Dit zou vaker kunnen voorkomen dan we denken,” aldus Kaneko.
Het zou kunnen dat dergelijke boemerangeffecten over het hoofd worden gezien door de gebruikelijke analysemethoden voor bevingen, die gebaseerd zijn op het idee dat een beving zich in één richting verplaatst. “Uiteraard zijn we hier niet naar op zoek, we verwachten niet dat ze bestaan,” aldus Ampuero. Maar het lijkt erop dat complexiteit bij aardbevingen eerder de norm is dan de uitzondering.
Zoals Hick stelt: “Hoe meer we in detail naar aardbevingen gaan kijken, hoe vreemdere verschijnselen we natuurlijk tegenkomen.”
Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com
