Das neue Modell könnte die seismischen Gefahrenkarten der Bay Area verbessern

Die Santa Cruz Mountains definieren die Geographie der Bay Area südlich von San Francisco, schützen die Halbinsel vor der kalten Meeresschicht des Pazifischen Ozeans und bilden das berüchtigte Mikroklima der Region. Die Reichweite repräsentiert auch die Gefahren des Lebens im Silicon Valley: Erdbeben entlang der San-Andreas-Verwerfung.

In Ausbrüchen, die Sekunden bis Minuten dauern, haben Erdbeben die Oberfläche der Region meterweise bewegt. Doch die schnelle Entlastung der Erde und die jahrelange Verformung der Erdkruste konnten die Forscher nie mit der Bildung von Gebirgszügen über Jahrmillionen in Einklang bringen. Durch die Kombination von geologischen, geophysikalischen, geochemischen und Satellitendaten haben Geologen nun ein 3D-Tektonikmodell erstellt, das diese Zeitskalen auflöst.

Die Forschung, die in erscheint Wissenschaftliche Fortschritte 25. Februar, zeigt, dass in der Zeit zwischen großen Erdbeben entlang der San-Andreas-Verwerfung mehr Gebirgsbildung stattfindet als während der Beben selbst. Die Ergebnisse können zur Verbesserung lokaler seismischer Gefahrenkarten verwendet werden.

„Dieses Projekt konzentrierte sich darauf, Bodenbewegungen im Zusammenhang mit Erdbeben mit der Anhebung von Gebirgszügen über Millionen von Jahren zu verknüpfen, um ein vollständiges Bild davon zu zeichnen, wie die Gefahr in der Bay Area tatsächlich aussehen könnte“, sagte der Hauptautor der Studie, Curtis Baden, Ph. D. Student der Geowissenschaften an der School of Earth, Energy & Environmental Sciences der Stanford University (Stanford Earth).

Biegen und Brechen

Geologen schätzen, dass die Santa-Cruz-Berge vor etwa vier Millionen Jahren begannen, sich vom Meeresspiegel zu erheben und sich als Ergebnis der Kompression um eine Biegung in der San-Andreas-Verwerfung bildeten. Die Verwerfung markiert die Grenze zwischen der Pazifischen Platte und der Nordamerikanischen Platte, die sich in einer Blattverschiebungsbewegung horizontal aneinander vorbei verschieben.

Verformungsmessungen – Veränderungen der Gesteinsformen – haben gezeigt, dass sich die Erdoberfläche während und zwischen Erdbeben rund um die San-Andreas-Verwerfung verzieht und dehnt und sich über Sekunden, Jahre und sogar Jahrzehnte ähnlich wie ein elastisches Band verhält. Aber dieser klassische Ansatz kann nicht mit geologischen Beobachtungsdaten übereinstimmen, weil er es den Felsen nicht erlaubt, nachzugeben oder zu brechen, wie sie es schließlich in der Natur tun würden – ein Effekt, der in den Bergketten der Erde beobachtet wurde.

„Wenn Sie versuchen, die Erde wie ein Gummiband zu behandeln und sie zu weit nach vorne zu treiben, werden Sie ihre Stärke überschreiten und sie wird sich nicht mehr wie ein Gummiband verhalten – sie wird anfangen nachzugeben, sie wird anfangen zu tun Pause“, sagte der leitende Studienautor George Hilley, Professor für geologische Wissenschaften an der Stanford Earth. „Dieser Effekt des Brechens ist fast allen Plattengrenzen gemeinsam, aber er wird selten auf eine konsistente Weise angegangen, die es Ihnen ermöglicht, von Erdbeben zu den langfristigen Auswirkungen zu gelangen.“

Indem sie die Felsen in ihrem Modell einfach brechen ließen, haben die Studienautoren aufgeklärt, wie erdbebenbedingte Bodenbewegungen und Bodenbewegungen zwischen Erdbeben über Millionen von Jahren Berge bilden. Die Ergebnisse waren überraschend: Während die geowissenschaftliche Gemeinschaft Erdbeben als Haupttreiber von Gebirgsbildungsprozessen betrachtet, zeigte die Simulation, dass die meisten Hebungen in der Zeit zwischen den Erdbeben stattgefunden haben.

„Die gängige Meinung ist, dass die dauerhafte Anhebung des Felsens tatsächlich das Ergebnis der immensen Kraft des Erdbebens ist“, sagte Hilley. „Dies spricht dafür, dass das Erdbeben selbst den aufgebauten Stress bis zu einem gewissen Grad abbaut.“

Ein Nachbarschaftslabor

Da die Santa Cruz Mountains an mehrere Forschungseinrichtungen angrenzen, darunter Stanford, die University of California, Berkeley und der United States Geological Survey (USGS), haben Wissenschaftler im Laufe von mehr als 100 Jahren eine immense Menge an Informationen über die Bergkette gesammelt .

Die Bemühungen, geologische und geophysikalische Daten zu sammeln, wurden besonders durch große Ereignisse der letzten Zeit wie das Erdbeben von Loma Prieta im Jahr 1989 und das Erdbeben von San Francisco im Jahr 1906 angespornt, aber die Entstehung der Santa Cruz Mountains erstreckte sich wahrscheinlich über Millionen von Jahren über Hunderttausende kleinerer Erdbeben die Forscher.

Die Autoren der Studie stellten die vorhandene Reihe von Beobachtungen zusammen und sammelten auch neue geochemische Daten, indem sie Heliumgas maßen, das in Kristallen eingeschlossen ist, die in Felsen der Berge enthalten sind, um abzuschätzen, wie schnell diese Felsen aus Tausenden von Metern Tiefe an die Oberfläche kommen. Anschließend verglichen sie diese Datensätze mit Modellvorhersagen, um zu ermitteln, wie Erdbeben mit der Anhebung und Erosion der Bergkette zusammenhängen. Der Prozess dauerte Jahre, um Materialeigenschaften zu spezifizieren, um die Komplexität widerzuspiegeln, die die Natur erfordert.

Seismische Auswirkungen

Die Forscher führten ihre Simulation vom Beginn der Anhebung der Santa Cruz Mountains vor vier Millionen Jahren bis heute durch, um zu verstehen, wie die Entwicklung der Topographie in der Nähe der San-Andreas-Verwerfung im Laufe der Zeit aktuelle und potenzielle zukünftige Erdbeben beeinflusst.

„Gegenwärtig basieren die seismischen Gefahrenbewertungen in der San Francisco Bay Area weitgehend auf dem Zeitpunkt der Erdbeben in den letzten paar hundert Jahren und den jüngsten Krustenbewegungen“, sagte Baden. „Diese Arbeit zeigt, dass sorgfältige geologische Studien, die Gebirgsbildungsprozesse über viel längere Zeiträume als einzelne Erdbeben messen, diese Einschätzungen ebenfalls beeinflussen können.“

Die Wissenschaftler arbeiten derzeit an einem Begleitdokument, in dem detailliert beschrieben wird, wie Gefahrenkarten mit diesem neuen Modell verbessert werden könnten.

„Wir haben jetzt einen Weg nach vorne, um tatsächlich über einen brauchbaren Satz von Mechanismen zu verfügen, um die Unterschiede zwischen Schätzungen auf verschiedenen Zeitskalen zu erklären“, sagte Hilley. „Je mehr wir alles zusammenbringen können, desto vertretbarer können unsere Gefahrenbeurteilungen sein.“