Erdbebenkarten erstellen - Temperaturspitzen hinterlassen Spuren im Gestein

Anonim

Wenn Sie Ihre Hände aneinander reiben, um sie zu wärmen, erzeugt die Reibung Wärme. Das gleiche passiert bei Erdbeben, nur in einem viel größeren Maßstab: Wenn ein Fehler rutscht, kann die Temperatur um Hunderte von Grad ansteigen, hoch genug, um organische Verbindungen im Gestein zu verändern und eine Signatur zu hinterlassen. Ein Team von Wissenschaftlern am Lamont-Doherty Earth Observatory der Columbia University hat Methoden entwickelt, um diese organischen Signaturen zu nutzen, um vergangene Erdbeben zu rekonstruieren und zu erforschen, wo diese Erdbeben begonnen und gestoppt wurden und wie sie sich durch die Störungszone bewegten. Die Informationen könnten schließlich Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, was Erdbeben steuert.

Die Lamont-Geophysikerin Heather Savage und der Geochemiker Pratigya Polissar begannen vor etwa acht Jahren mit der Entwicklung der Methoden, die auf Techniken der Ölindustrie aufbauen. Ihre einzigartige Verbindung von zwei Feldern - der Felsmechanik und der organischen Geochemie - ermöglichte Innovationen, die unser Bild von Erdbeben verändern.

Der Prozess beginnt im Feld entlang eines Fehlers, bei dem Wissenschaftler Proben aus der Störungszone abtragen oder bohren. Wenn Sedimente in einer Störungszone durch die Reibung eines Erdbebens erhitzt werden, verändert diese kurze, aber starke Hitzewelle die chemische Zusammensetzung des organischen Materials im Gestein. (Der gleiche Prozess über lange Zeiträume erzeugt Öl und Gas.) Wissenschaftler können die organischen Verbindungen in diesen Proben untersuchen und das Verhältnis von stabilen Molekülen zu instabilen Molekülen vergleichen, um ihre thermische Reife zu messen und zu bestimmen, wie heiß jede Probe wird.

"Wenn sogar eine winzige Struktur innerhalb eines Fehlers ein Erdbeben gehabt hat, können wir tatsächlich den Unterschied sehen, wie heiß dieses Teil des Fehlers gegenüber allem außerhalb davon wurde", sagte Savage. "Was wir herausfinden wollen, ist, wo die Erdbeben in dieser großen Störungszone tatsächlich stattgefunden haben. Sind sie alle auf einer Seite? Sind die überall verteilt? Sind sie alle auf dem schwächsten Material innerhalb der Störungszone gebündelt?"

"Was das ist, gibt uns ein Bild, fast wie eine Heat Map, der Schuld selbst, und die heißesten Orte sind, wo die Erdbeben geschahen", sagte Savage.

Wenn die Temperaturen hoch genug sind, kann das Gestein schmelzen und glasartige Pseudotachylyten bilden. Geologen haben diese geschmolzenen Gesteinsreste seit mehreren Jahren verwendet, aber sie sind selten.

Savage, Polissar und ihr Team schauen näher auf die molekulare Ebene, wo sie die thermische Reife von gewöhnlichen organischen Verbindungen messen können, um zu bestimmen, wie heiß die Probe wurde. Sie testen häufig auf Methylphenanthrene, organische Moleküle, die in Verwerfungen innerhalb von Sedimentgesteinen zwischen 1 und 5 km unter der Erde vorkommen. In tieferen Verwerfungen, etwa 10-14 Kilometer entfernt, können die Wissenschaftler nach Diamantoiden suchen, die zu den thermisch stabilsten organischen Verbindungen gehören.

Um ihre molekularen Daten in einen Kontext zu stellen, müssen die Wissenschaftler auch verstehen, wie die Gesteine ​​im Störfall auf Hitze und Druck reagieren. In Lamonts Rock and Ice Mechanics Lab kann das Team von Savage Gesteinsproben unter einer Vielzahl von hohen Drücken und Temperaturen testen. Aus ihren Experimenten können Modelle entwickelt werden, die zeigen, wie viel Scherspannung und Verschiebung benötigt werden, um spezifische Wärmemengen in bestimmten Gesteinsarten zu erzeugen, und dann, wie diese Wärme durch Diffusion abnimmt.

Mithilfe dieser Modelle können die Wissenschaftler dann die geochemische Analyse ihrer Proben betrachten, die Temperaturen bestimmen, denen die Verbindungen in der Vergangenheit ausgesetzt waren, und die Reibung von dem Erdbeben abschätzen und wie weit der Fehler rutschte.

Als das Team zum Beispiel Proben aus der Megagruppe Pasagshak Point auf Alaska Kodiak Island testete, maßen sie das Verhältnis von thermisch stabilen Diamantoiden zu thermisch instabilen Alkanen und stellten fest, dass die Temperatur während eines vergangenen Erdbebens zwischen 840 ° C und 1170 ° C gestiegen wäre über der normalen Temperatur des umgebenden Felsens. Von diesem Temperaturanstieg konnten sie abschätzen, dass die Reibungsenergie des Erdbebens 105-227 Megajoule pro Quadratmeter, wahrscheinlich ein Erdbeben der Stärke 7 oder 8, betragen hätte. Mit ihren experimentellen Reibungsmessungen könnten sie dann abschätzen, dass der Fehler um 1-8 Meter gerutscht sein muss.

Beim US-amerikanischen Geophysical Union Fall Meeting heute in San Francisco präsentierte Genevieve Coffey, eine Doktorandin in Savages Team bei Lamont, erste Ergebnisse ihrer Tests mit der höchsten Dichte, die Proben in Transekten entlang der Muddy-Mountain-Schürfwunde in Nevada enthielten. Eine Überraschung war, dass die Orte, an denen aufgrund der lokalen Strukturen im Fels hohe Temperaturen zu erwarten waren, nicht unbedingt die Orte waren, an denen sie sie fanden, sagte Coffey. "Strukturelle Variabilität entlang eines Fehlers ist nicht notwendig, um darauf hinzuweisen, dass in diesem Abschnitt Schlupf aufgetreten ist", sagte sie.

Savages Team arbeitet an ähnlichen Experimenten an der San-Andreas-Verwerfung und am Japangraben, wo das Tōhoku-Erdbeben begann, und sie arbeiten mit Kollegen an Techniken, um die Erdbeben zu datieren.

"Der wichtige Schritt für uns ist zu bestimmen, wie jede dieser Verbindungen auf Zeit und Temperatur reagiert", sagte Savage. "Das wird uns über die Physik der Erdbeben in dieser Störung berichten, die auf lange Sicht zu einem besseren Verständnis der Erdbebengefahren führen könnte."

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