Å forutse jordskjelv er den store drømmen for mange geologer. Samtidig er det nærmest en umulig oppgave. Det er mange faktorer som spiller inn og som avgjør akkurat hvor og når et jordskjelv inntreffer.
– Jeg vil skille mellom det å forutse tid og sted for et jordskjelv og det å gi en tidlig advarsel om at jordskorpa forbereder seg på et jordskjelv, sier Jessica Ann McBeck, forsker ved NJORD – senter for studier av jordens fysikk på Universitetet i Oslo.
Små endringer
Et tidlig jordskjelvvarsel handler blant annet om å oppdage små geofysiske endringer i jordskorpa eller at slike endringer akselererer. Og det er nettopp slike prosesser McBeck fokuserer på når hun tar med seg centimeterstore steinsylindere inn i laboratoriet.
– På laben har vi mulighet til å teste hypoteser som er mye vanskeligere å teste ute i felt. Noen av disse variablene er det umulig å måle i selve jordskorpa, sier McBeck.
De kan også følge med på disse prosessene mens de foregår.
– Forskere som studerer jordskjelv, må se på data fra etter at skjelvet har inntruffet fordi vi ikke kan forutse når det skal skje. Fordelen med lab-eksperimentene våre er at vi kan se om det allerede er nettverk av brister i steinen, vi kan se hvordan disse utvikler seg over tid og vi kan se om det er forskjeller på ulike bergarter, sier McBeck.
Synkrotronen i Grenoble
De små steinsylinderne er hentet fra ulike steder. McBeck tar dem med til Det europeiske synkrotronstråleanlegget i Grenoble i Frankrike. Der settes de under press mens ømfintlige instrumenter skanner dem for å se hva som foregår inne i steinen.
Det minner om en CT-undersøkelse og resultatet er et 3D-bilde av steinen. Mange 3D-bilder.
Slik ser instrumentet ved Det europeiske synkrotronstråleanlegget ut der forskerne plasserer de små steinsylinderne.(Foto: François Renard / UiO)
Til sammen viser disse bildene utviklingen over tid ned på mikrometernivå. De kan måle stresset steinen blir påført og se hvor den «beveger seg» uten at det oppstår brudd. Når bruddene blir store nok, brister steinen.
– Selv om steinsylindrene er små, kan vi se flere tusen brudd i steinen før den gir etter, og vi ser den nøyaktige posisjonen til hvert av bruddene.
– Vi vet også hvor mye press vi utsetter steinen for. Dette er noe vi ikke kan måle ute i felt, sier McBeck.
Eksperimentene gir enorme datamengder
Eksperimentene i Grenoble gir forskerne enorme mengder med data. Så mye at McBeck har utviklet maskinlæringsmodeller for å tolke og analysere dem.
– Det er tusenvis av brudd, og alle har sine egne karakteristikker. Det er umulig, i hvert fall veldig vanskelig for oss å skulle plotte dette og se etter mulige mønstre.
Det hun ber maskinlæringsmodellen finne ut av, er å forutse tidspunktet steinen gir etter og kollapser basert på kjennetegnene til de ulike bruddene som oppstår i den underveis.
– Med maskinlæring kan vi fort bestemme hvilke faktorer som har størst påvirkning. Vi kan si om det for eksempel er lengden på bruddet eller avstanden mellom de ulike bruddene som hjalp modellen med å spå riktig tidspunkt for brudd, sier McBeck.
Annonse
Tidspunktet der den lille steinsylinderen gir etter, vil ute i den virkelige verden, i jordskorpa, være analogt med et jordskjelv.
– Å kombinere eksperimenter med maskinlæring har vært veldig fruktbart for å identifisere hva som er mest avgjørende for når kollapsen skjer. I hvert fall i laboratoriet, sier McBeck.
Fra lab til jordskorpa
De fargede feltene viser hvor det oppstår brudd i den ellers grå steinprøven.(Foto: Erina Prastyani / UiO)
Det er lang vei fra en centimeterstor steinsylinder til en plate i jordskorpa, fra en kollaps på lab-en til et jordskjelv. Samtidig er det klare paralleller.
– I de fleste situasjoner er disse bruddene i steinen uavhengig av skalaen. Selv om vi oppskalerer til en større steinblokk, forventer vi å se den samme fordelingen av brudd, sier McBeck.
– Vi kan se at forut for noen jordskjelv der vi har målinger, har bruddene vokst på en lignende måte som i våre lab-eksperimenter. Ikke i alle jordskjelv riktig nok, men her er det en forbindelse mellom laboratoriet og jordskorpa.
Selv om McBeck jobber mest med eksperimentene og maskinlæringsmodellene sine, er det hele tiden i samspill med det som kan observeres ute i den virkelige verden.
– Vi må tenke på hva som er mulig å måle ute i felt, og så må vi gå tilbake og se hvilke trekk vi kan måle enda mer nøyaktig i laboratoriet, sier hun.
Etterligner virkelige forkastninger
For eksempel viser observasjoner fra San Andreas-forkastningen i California at hvis man allerede har en forkastning, så har det veldig mye å si for hvordan bruddene utvikler seg rundt den.
– Det kan vi etterligne i laboratoriet, sier McBeck.
Før eksperimentene kan de lage små forkastninger i steinprøvene og se hvordan det påvirker dannelser av brudd og eventuelt forkorter tiden før de bryter sammen.
Annonse
McBeck er spesielt opptatt av å se på et fenomen som er observert i det sørlige California. Der ser man at de mange bruddene i perioder samler seg i ett større brudd. I andre perioder sprer de seg i andre retninger. På fagspråket kalles de to fenomenene lokalisering og delokalisering.
– Vi ser en slik lokalisering av mindre jordskjelv forut for et stort skjelv, men i perioder avtar lokaliseringen. Istedenfor at det ene lange bruddet bare fortsetter å vokse, ser vi i disse periodene mange brudd som vokser samtidig – de delokaliseres, forklarer McBeck.
I eksperimentene sine prøver hun blant annet å finne ut hva som forårsaker disse fasene med delokalisering.
– Vi har tallfestet slik lokalisering på flere måter i laboratoriet. Tanken er å kunne gjøre det enda bedre, enda mer nøyaktig, mens steinen nærmer seg bristepunktet, sier McBeck.
