Tsunami kan steden in VS op elk moment overspoelen

Dit angstaanjagende scenario hopen de geologen te leren voorspellen. Door goed te luisteren naar de onschadelijke trillingen zoeken ze in de kruipende aardbeving een patroon om te weten wanneer de klap valt.

Zee en land spannen samen

De korst van de aarde bestaat uit zeven grote gesteenteplaten en een aantal kleinere. De stijve korstplaten ‘drijven’ op de mantel, die zich dichter bij de aardkern bevindt en dus warmer en zachter is. Op verschillende plaatsen botsen de platen op elkaar.

Stuit een zware oceaanplaat op een van de lichte continentale platen die de hele landmassa vormen, dan duikt de oceaanplaat onder de landplaat en ontstaat er een zogenoemde subductiezone, waarin de krachtigste aardbevingen op aarde plaatsvinden.

Omdat alleen oceaanplaten zo’n duik kunnen maken, liggen subductiezones bijna altijd in de zeebodem. Dat betekent dat een aardbeving rond een subductiezone meestal een tsunami voortbrengt, een van de dodelijkste natuurverschijnselen op aarde.

Ook de tsunami in Zuidoost-Azië in 2004, die zo’n 230.000 mensen het leven kostte en de zwaarste natuurramp sinds tientallen jaren was, begon met een aardbeving (eigenlijk een zeebeving) rond een subductiezone. Dat gold eveneens voor de tsunami in Japan in 2011, waarbij de vloedgolf onder meer een meltdown veroorzaakte in de kernreactor van het district Fukushima.

De aarde kent 15 grote subductiezones, die door geologen wereldwijd nauwlettend worden gevolgd. Op 100 kilometer voor de noordwestelijke VS in de Stille Oceaan loopt een 1000 kilometer lange subductiezone, Cascadia geheten, die zich van het noorden van Californië langs Oregon en Washington uitstrekt tot aan de Canadese kust.

Maar slechts 50 jaar geleden had niemand van de Cascadia-breuk gehoord. Om dezelfde reden is geen stad langs de kust voorbereid op de ramp die diep in de zeebodem loert.

Cascadia verklaart rare tsunami

Tot 1970 hield de Cascadia-breuk zich koest, en eeuwenlang is er geen enkele aardbeving uit voortgekomen. De enige activiteit was afkomstig van kruipende aardbevingen, die uitsluitend met zeer nauwkeurige metingen van seismische gegevens en ultraprecieze gps-metingen te ontdekken zijn.

Onderzoekers hebben aangetoond dat de zwakke trillingen in het noordwesten van de VS precies om de 14 maanden terugkomen en een maand kunnen duren. De oorzaak moet gelegen zijn in de bewegingen van de zeebodem.

Gedurende de 14 maanden lange periode beweegt de oceaanplaat ongeveer 10 millimeter naar het oosten, om de maand daarop zo’n 5 millimeter terug te gaan naar het westen. Tijdens deze beweging naar het westen vangen de onderzoekers de lichte trillingen op, en op ultranauwkeurige gps-metingen zien ze hoe de landmassa zich een piepklein beetje verplaatst.

De kalme trillingen zullen op een dag uitgroeien tot een regelrechte aardbeving, maar omdat dit nog nooit is waargenomen bij Cascadia, vroegen de onderzoekers zich af hoe zwaar de schokken zijn die de breuk kan voortbrengen.

Seismoloog Kenji Satake en zijn collega’s kwamen daar echter in 1996 achter, toen ze historische tsunamigegevens van hun thuisland Japan doornamen.

Japan heeft regelmatig te maken met aardbevingen en tsunami’s, en sommige gegevens daarover gaan 1400 jaar terug. In de registraties kan elke vloedgolf worden gekoppeld aan een aardbeving. Satake en zijn collega’s waren vooral geïnteresseerd in een tsunami van 27 januari 1700, die Japan zou hebben overspoeld zonder dat iemand een aardbeving had gevoeld.

In de volksmond stond de golf daarom bekend als ‘de wees’. Satake verdacht de Cascadia-breuk aan de andere kant van de Stille Oceaan, en zijn vermoeden werd al snel bevestigd door de andere onderzoeksgegevens.

De slotsom luidde dat een aardbeving bij de Cascadia-breuk in januari 1700 een golf moet hebben voortgebracht die na een overtocht over de Stille Oceaan van zo’n 11 uur de Japanse kust bereikte. Hier had de vloedgolf nog energie genoeg om enorme schade aan te richten, wat erop duidt dat Cascadia zeer krachtige aardbevingen kan veroorzaken.

Aardbeving is al 77 jaar te laat

Nadat de tsunami in Japan in 1700 was gekoppeld aan de aardbeving bij de VS, vonden Amerikaanse geologen in hun boringen in de zeebodem meer sporen van het vroegere gedrag van de Cascadia-breuk.

Steeds als de opgebouwde spanning in de subductiezone loskomt tijdens een grote aardbeving, schuiven grote hoeveelheden klei, zand en grind langs de helling die de continentale en oceanische plaat van elkaar scheidt.

De laag sedimenten van de aardschok op de zeebodem wijkt sterk af van de andere lagen met fijnere deeltjes. Door de lagen te tellen zien de onderzoekers hoeveel aardbevingen er door de eeuwen heen in de regio zijn geweest, en een datering van de lagen wijst uit hoe vaak ze voorkomen.

Geoloog Brian Atwater van United States Geological Survey heeft zeebodemmonsters van de afgelopen 10.000 jaar bestudeerd en 41 lagen afgezet materiaal in de boorkernen gevonden. Aan de hand daarvan kunnen de wetenschappers berekenen dat Cascadia-aardbevingen gemiddeld om de 243 jaar optreden. De laatste aardbeving was in januari 1700, dus een volgende reuzenaardschok komt al minimaal 77 jaar te laat.

Ook het binnenland in het noordwesten van de VS vertoont sporen van de tsunami van 1700. Hier bracht Atwater land in kaart waar bomen verdronken zijn in zout water en er nu als kale dode stammen bij staan. Elders trof hij zandlagen aan die vanaf de kust kilometers het land in zijn gespoeld.

Aan de hand van de natuurschade zo’n 320 jaar geleden en de historische bronnen van de hoogte van de vloedgolf in Japan is de kracht van de aardbeving geschat op 8,7 tot 9,2 op de momentmagnitudeschaal.

Dit is de nieuwe geologische schaal voor de kracht van aardbevingen, die nauwkeuriger dan zijn voorganger (de schaal van Richter) aangeeft hoeveel energie er vrijkomt bij een aardbeving. Een aardbeving van categorie 9 staat hoog in de top 10 van de zwaarste aardbevingen in de geschiedenis.

Miljoen gebouwen storten in

Het reële effect van een nieuwe Cascadia-aardbeving met kracht 9 is vast te stellen via computersimulaties.

Daarom voerde geofysicus Erin Wirth van de universiteit van Washington 50 simulaties uit van de mogelijke ontwikkeling van de aardbeving. In sommige gevallen plaatste Wirth het 
hypocentrum – het ondergrondse punt in de subductiezone waar de aardbeving vandaan komt – dicht bij bijvoorbeeld Seattle, en in andere er ver vandaan.

Ze varieerde ook de activiteit van de breuk op diverse plekken. Met die kleine variaties kwam ze tot 50 reuzenaardbevingen, die aangeven welke gebieden hoe dan ook worden getroffen en welke er misschien gespaard worden.

Wirths simulaties laten zien dat als het hypocentrum onder Seattle of een andere grote stad in de regio ligt, de aardbeving ervan zal wegtrekken, dus dan komt de stad er nog genadig vanaf. Ligt het hypocentrum echter een eind verder en trekt de beweging langs de breuk richting de stad, dan kan het fout aflopen.

En in alle scenario’s zijn er diverse gebieden in de staten Washington en Oregon die zo zwaar worden getroffen dat er weinig van overblijft. Maar waar dat precies zal zijn, weten we nog niet.

De exacte gevolgen van de trillingen zijn heel moeilijk te voorspellen, maar bij een tsunami gaat dat beter. Uit berekeningen die in het voorjaar van 2018 zijn uitgevoerd aan Washington State Department of Natural Resources blijkt dat de watermuur die uit de zee oprijst wel 30 meter hoog kan zijn en kilometers het land in spoelt.

Het Amerikaanse FEMA, dat scenario’s uitwerkt voor noodgevallen, heeft ook een schatting gemaakt van de verwoestingen van een grote Cascadia-aardbeving en een daaropvolgende tsunami. Naar verwachting zullen circa 1 miljoen gebouwen verwoest worden of zwaar beschadigd raken. Dit geldt ook voor de helft van alle snelwegviaducten en voor twee derde van alle spoorlijnen en ziekenhuizen in de omgeving.

Kruipbeweging kondigt klap aan

De gevolgen van een Cascadia-aardbeving zijn dus enorm, en onderzoekers proberen nu te achterhalen wanneer er weer een zal plaatsvinden.

Volgens de statistieken kan het morgen gebeuren, maar ook over 100 jaar. Met die marge is het voor autoriteiten en bevolking echter onmogelijk om plannen te maken, maar daar is iets aan te doen.

Na de aardbeving en tsunami in Japan op 11 maart 2011, waarbij 16.000 mensen om het leven kwamen, gingen de onderzoekers oudere gegevens van de breuk na. Zo werd duidelijk dat er in de weken voor de ramp al voortekenen waren.

In februari van dat jaar kropen twee diepe en langzame schokken langs de subductiezone precies naar het punt waarop de explosieve ontlading van seismische energie een maand later de ramp veroorzaakte.

De theorie is nu dat de langzame bewegingen de wrijving tussen de delen van de breuk in het lager gelegen stuk van de subductiezone reduceren. En omdat de wrijving van de breuk een aardbeving kan voorkomen, vergroten sluipende aardbevingen het risico op de grote klap.

Door dit inzicht heeft een team van Japanse en Amerikaanse wetenschappers 28 jaar aan aardbevingsgegevens doorgespit.

De eerste resultaten wijzen uit dat de ultra­langzame trillingen langs subductiezones versnellen in de maanden en weken voordat de grote klap valt, en die versnelling kan worden opgevangen door gps-metingen op het aardoppervlak. Maar elke subductiezone is anders van aard en niemand weet precies waarnaar moet worden gezocht.

Als de kruipende aardbevingen ineens hun ritme wijzigen, verdwijnen of anderszins veranderen, bestaat er geen twijfel over of de onderzoekers zien het als een waarschuwing voor een ophanden zijnde ramp.

Zo kunnen we dankzij de kruipende aard­bevingen in de toekomst veel preciezer een gigantische aardschok zien aankomen.