Ακόμη και οι μικρές λίμνες μπορεί να πουν ιστορίες για μεγάλους σεισμούς

Η κατανόηση της ιστορίας των σεισμών μιας περιοχής είναι το κλειδί για την εκτίμηση του σεισμικού κινδύνου.  Για να βοηθήσουν σε αυτό το έργο, οι γεωλόγοι αναζητούν ενδείξεις για προϊστορικούς σεισμούς στον πυθμένα των λιμνών στην περιοχή Yellowstone. Το Yellowstone Caldera Chronicles είναι μια εβδομαδιαία στήλη που γράφτηκε από επιστήμονες και συνεργάτες του Yellowstone Volcano Observatory. Η συνεισφορά αυτής της εβδομάδας προέρχεται από τη μεταδιδακτορική υπότροφο του USGS Mendenhall, Sylvia Nicovich του Επιστημονικού Κέντρου Γεωλογικών Κινδύνων.

Το σπίτι πιο πάνω έπεσε στη λίμνη Hebgen κατά τη διάρκεια του σεισμού του 1959 και επέπλεε κατά μήκος της ακτής μέχρι να ξεκουραστεί εδώ. Η ιδιοκτήτρια του σπιτιού, η τότε 70χρονη κυρία Γκρέις Μίλερ, δραπέτευσε μόνο αφού άνοιξε την εξώπορτά της και πήδηξε μια ρωγμή εδάφους πλάτους  σχεδόν 2 μέτρων καθώς το σπίτι της έπεσε στη λίμνη. 

Τα επίκεντρα 6.188 σεισμών στην περιοχή της λίμνης Hebgen από το 1990 έχουν προσδιοριστεί από τους σεισμογράφους του Πανεπιστημίου της Γιούτα και το Γραφείο Ορυχείων και Γεωλογίας της Μοντάνα. Όλα τα επίκεντρα έχουν οριζόντια κίνηση 1,0 χλμ. ή λιγότερο. Οι μαύρες γραμμές περιγράμματος δείχνουν καθίζηση (σε διαστήματα 70 εκατοστών) ως αποτέλεσμα του σεισμού M7.3 της λίμνης Hebgen του 1959 (το επίκεντρο φαίνεται από το κόκκινο αστέρι). 

Τα τμήματα γραμμής ματζέντα εμφανίζουν ρήγματα που υπέστησαν ρήξη κατά τη διάρκεια του σεισμού του 1959 και τα τμήματα πράσινης γραμμής είναι ρήγματα Ύστερου Τεταρτοταγούς από τη βάση δεδομένων Τεταρτογενούς Ρηγμάτων και Πτυχών του USGS. 

Το καλοκαίρι του 1959, η περιοχή του δυτικού Yellowstone γνώρισε έναν από τους μεγαλύτερους σεισμούς των Rocky Mountains στην ιστορία  που μετρήθηκε με όργανα. Ο σεισμός M7.3 στη λίμνη Hebgen προκάλεσε σοβαρές ζημιές και σκότωσε 28 ανθρώπους, κυρίως λόγω κατολίσθησης σε χώρο κατασκήνωσης στο Madison Canyon κατάντη από το φράγμα Hebgen. 

Εδώ, περίπου 30 εκατομμύρια κυβικά μέτρα υλικού από τη βόρεια πλαγιά του Madison Canyon κατέρρευσαν τη νύχτα, θάβοντας την κατασκήνωση και φράγματα στον ποταμό Madison για να σχηματίσουν τη λίμνη Σεισμός- Earthquake.  Έχουμε μάθει πολλά από καταστροφικούς ιστορικούς σεισμούς όπως αυτός στη λίμνη Hebgen. Τα στοιχεία που άφησε στο τοπίο, όπως ρήγματα  (απότομες ρωγμές στην κλίση όπου σημειώθηκε κατακόρυφη μετατόπιση κατά μήκος του ρήγματος), είναι ιδιαίτερα σημαντικά για την κατανόηση των προϊστορικών σεισμών. 

Η μελέτη τέτοιων σεισμών, που ανήκουν στον τομέα της παλαιοσεισμολογίας, μπορεί να βοηθήσουν στον καλύτερο χαρακτηρισμό των σεισμών που προκαλούν ρήγματα παρέχοντας πληροφορίες σχετικά με την επανάληψη και τα μεγέθη παλαιότερων σεισμών.  

Οι λίμνες γίνονται όλο και πιο δημοφιλείς στις παλαιοσεισμικές μελέτες. Τα τακτικά μοτίβα καθίζησης μπορούν να βελτιώσουν τις εκτιμήσεις χρόνου σεισμού και να καταγράψουν δυνητικά σεισμούς που μπορεί να μην έχουν διαρρήξει την επιφάνεια του εδάφους, αλλά παρόλα αυτά προκάλεσαν σημαντική δόνηση του εδάφους. 

Αυτός ο υποεπιστημονικός κλάδος ονομάζεται λιμνώδης παλαιοσεισμολογία και έχει ασκηθεί τυπικά σε βαθιά, απόκρημνα, επηρεασμένα από παγετώνες συστήματα λιμνών, όπως αυτά κατά μήκος της οροσειράς Teton στα νότια. 

Επειδή οι επιπτώσεις του σεισμού της λίμνης Hebgen έχουν τεκμηριωθεί, μια λεπτομερής κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αυτός ο σεισμός επηρέασε τις γειτονικές λεκάνες λιμνών θα μπορούσε να μας διδάξει να ερμηνεύουμε κρυφά αρχεία σεισμών σε διαφορετικούς τύπους λιμνών - ειδικά σε ρηχές λίμνες με ήπιες πλαγιές, όπως η λίμνη Henrys ακριβώς δυτικά του West Yellowstone στο Idaho. 

Στα τέλη του χειμώνα του 2023, η ομάδα μας από το Επιστημονικό Κέντρο Γεωλογικών Κινδύνων του Γεωλογικού Ινστιτούτου των ΗΠΑ ξεκίνησε στη λίμνη Henrys με την υπόθεση ότι αυτή η ρηχή λεκάνη λίμνης περιέχει στοιχεία για τον σεισμό της λίμνης Hebgen του 1959. Επειδή η λίμνη Henrys απέχει μόνο περίπου 25 χιλιόμετρα (περίπου 15 μίλια) από το επίκεντρο του σεισμού και ως εκ τούτου υπέστη πολύ ισχυρή δόνηση, είναι δίκαιο να υποθέσουμε ότι τα ιζήματα της λίμνης μπορεί να έχουν διαταραχθεί. 

Για να ελέγξουμε αυτήν την υπόθεση, εξάγαμε επτά πυρήνες ιζήματος, ο καθένας μήκους περίπου 2 μέτρων (λίγο πάνω από 6 πόδια), κατά μήκος μιας διατομής ανατολικής-δυτικής της λίμνης Henrys κατά τη διάρκεια του χειμώνα του 2023. Ένα πλεονέκτημα της εργασίας σε λίμνες το χειμώνα είναι ότι η στάση σε στερεό (παγωμένο) έδαφος μπορεί να προσφέρει ένα πιο σταθερό περιβάλλον εργασίας από την προσπάθεια συλλογής πυρήνων ιζήματος από ένα ίζημα. Ακριβώς όπως το ψάρεμα στον πάγο, χρησιμοποιήσαμε ένα τρυπάνι πάγου για να ανοίξουμε μια τρύπα στην παγωμένη επιφάνεια της λίμνης και βυθίσαμε τη συσκευή πυρήνα στο νερό και στη συνέχεια στον πυθμένα της λίμνης, κρατώντας την δεμένη σε ένα σχοινί για να την τραβήξει πίσω μόλις συγκεντρωθεί το ίζημα.

Οι επιστήμονες του USGS εργάζονται για να ανακτήσουν πυρήνες ιζημάτων από τη λίμνη Henrys, στο Αϊντάχο. (Αριστερά): γεωλόγοι διασχίζουν την παγωμένη λίμνη Henrys με προμήθειες πυρήνων. Φωτογραφία USGS από τη Sylvia Nicovich, 30 Μαρτίου 2023.  (Δεξιά) Οι γεωλόγοι χαμηλώνουν τον πυρήνα στη λίμνη μέσα από μια τρύπα που ανοίγεται στον πάγο. Φωτογραφία USGS από τον Chris DuRoss, 31 Μαρτίου 2023. 

Οι πυρήνες εξετάστηκαν στο εργαστήριο πυρήνων του USGS Pacific Coastal Marine Science Center, το οποίο είναι ειδικά εξοπλισμένο για απεικόνιση και δειγματοληψία πυρήνων ιζημάτων. Μια κοινή υπογραφή της διαταραχής του σεισμού στους πυρήνες των ιζημάτων προκύπτει από την αστοχία ιζήματος στο περιθώριο της λίμνης, την κατωφέρεια μεταφοράς και την εναπόθεση σε κεντρικές περιοχές της λεκάνης της λίμνης. Πυρήνες από πολλές τοποθεσίες στη λίμνη Henrys περιείχαν ένα λεπτό (~5 cm, ή 2 ίντσες), διακριτό, γκρίζο αμμώδες στρώμα στο ανώτερο τμήμα τους, το οποίο φαινόταν να αποτελεί καταγραφή πρόσφατου σεισμού. 

Τομή πυρήνων ιζήματος από τη λίμνη Henrys, Idaho. (α) Οι φωτοσαρώσεις υψηλής ανάλυσης και η αξονική τομογραφία (CT) κάθε πυρήνα αντιστοιχούν στη γραμμή σύνδεσης της θέσης. Η λευκή γραμμή στο CT αντιπροσωπεύει τη πυκνότητα εξασθένησης ακτίνων γάμμα (g/cc). Τα χαρτογραφημένα μέτωπα βρίσκονται δεξιά σε κάθε πυρήνα που αντιστοιχεί. Οι αποχρώσεις του γκρι αντιπροσωπεύουν την καθίζηση στο φόντο και την εναπόθεση γεγονότος με πορτοκαλί χρώμα. Οι αριθμοί 1-4 αντιπροσωπεύουν υποφανείς ιζημάτων υποβάθρου. HP: ποώδης τύρφη, FL: fluviolacustrine facies, E:απόθεση συμβάντος. Τα κίτρινα ορθογώνια αντιπροσωπεύουν τοποθεσίες δειγμάτων ιζημάτων για χρονολόγηση με ραδιενεργό άνθρακα (R1-3). (β) Βαθυμετρικός χάρτης της λίμνης Henrys από δεδομένα που συλλέχθηκαν από το Εθνικό Εργαστήριο του Αϊντάχο περίπου το 1990 με διάστημα περιγράμματος (CI) 0,6 m. Η παχιά γραμμή περιγράμματος δείχνει την εκτιμώμενη ακτογραμμή πριν από την κατασκευή του φράγματος. Τα μαύρα τρίγωνα δείχνουν προς τις κύριες εισόδους. DC‐ Duck Creek και TC‐ Targhee Creek.  Εικόνα από Nicovich et al., 2024.

Ο Πρόεδρος Κένεντι υπογράφει τη συνθήκη απαγόρευσης των πυρηνικών δοκιμών για τις Ηνωμένες Πολιτείες το 1963. Φωτογραφία από National Archives, Still Pictures Division, Department of State Collection 59-0, πλαίσιο 23 (https://nsarchive2.gwu.edu/NSAEBB/NSAEBB94/tb02.htm). 

Η πρόκληση ήταν τότε να δοκιμαστεί αν αυτό το στρώμα ταιριάζει με το χρόνο του σεισμού του 1959. Αυτό έγινε με τη μέτρηση της συγκέντρωσης του χημικού συστατικού Καισίου-137 (137Cs) με βάθος. Το 137Cs παρήχθη κατά τη διάρκεια ατμοσφαιρικών πυρηνικών δοκιμών στα μέσα του 20ού αιώνα, επομένως η συγκέντρωση στο ίζημα μπορεί να συνδυαστεί με τη γνωστή συχνότητα των πυρηνικών δοκιμών διαχρονικά για να προσδιοριστεί η ηλικία του στρώματος ιζήματος. Για παράδειγμα, οι υπέργειες πυρηνικές δοκιμές αυξήθηκαν γύρω στο 1954 και η συγκέντρωση των 137Cs στα ιζήματα αρχίζει να αυξάνεται από μη ανιχνεύσιμα επίπεδα σε ανιχνεύσιμα εκείνο το έτος. Αντίθετα, η Συνθήκη για την Απαγόρευση των Πυρηνικών Δοκιμών υπογράφηκε το 1963, επομένως το ίζημα αυτής της ηλικίας έχει μέγιστη συγκέντρωση 137Cs που πέφτει δραστικά αμέσως μετά (που βρίσκεται προς την κορυφή του πυρήνα στο πιο πρόσφατα κατατεθειμένο ίζημα). 

Αυτά τα καθορισμένα επίπεδα συγκέντρωσης θα έπρεπε ουσιαστικά να δεσμεύουν την απόθεση σεισμού του 1959 στο ιζηματογενές αρχείο! Λοιπόν, τι γίνεται με αυτό το εξαιρετικό στρώμα άμμου που υποτίθεται ότι σχετίζεται με τον σεισμό του 1959; Κατά τη σύζευξη των δεδομένων συγκέντρωσης 137Cs με τα ιζηματολογικά δεδομένα, διαπιστώσαμε ότι το δείγμα άμμου όντως περιορίστηκε μεταξύ 1954 και 1963, παρέχοντας ακλόνητες αποδείξεις ότι αυτό το στρώμα πιθανότατα σχηματίστηκε κατά τον σεισμό της λίμνης Hebgen το 1959.  

Με στοιχεία ότι το ίζημα στον πυθμένα της λίμνης Henrys περιέχει, πράγματι, αρχεία παλαιότερων σεισμών, ο επόμενος στόχος ήταν να αναζητήσουμε άλλους προϊστορικούς σεισμούς χρησιμοποιώντας το δείγμα της λίμνης Hebgen του 1959 ως αναφορά. Ωστόσο, δεν υπήρχαν τέτοιες παρόμοιες αποθέσεις με τον ίδιο χαρακτήρα ιζήματος και παρουσία σε πολλαπλούς πυρήνες. 

Χρησιμοποιώντας τεχνικές χρονολόγησης με ραδιενεργό άνθρακα, μπορέσαμε να διαπιστώσουμε ότι τα πολύ χαμηλότερα τμήματα των πυρήνων ήταν περίπου 5.000 ετών. Αυτό σημαίνει ότι δεν υπήρξαν σεισμοί παρόμοιας έντασης με τον σεισμό της λίμνης Hebgen τα τελευταία 5.000 χρόνια; Όχι ακριβώς. Το κατώτερο στρώμα των πυρήνων - το στρώμα 5.000 ετών - είναι σύμφωνο με εναποθέσεις από έναν ελώδη υγρότοπο, όχι μια λίμνη! 

Οι ελώδεις υγρότοποι είναι κορεσμένες περιοχές με πολλά φυτά και χόρτα που συνήθως παράγουν εδάφη πλούσια σε οργανικά και όχι ιζήματα με λεπτά στρώματα όπως κάνουν οι λίμνες, γεγονός που τους καθιστά πολύ λιγότερο πιθανό να καταγράψουν σεισμό. Με βάση τις εκτιμήσεις του ρυθμού καθίζησης, φαίνεται ότι η λίμνη Henrys πιθανότατα άλλαξε από ελώδη υγρότοπο σε ρηχή λίμνη πριν από λιγότερο από περίπου 1.000 χρόνια. 

Φωτογραφία και κινούμενα σχέδια της απόθεσης σεισμού στη λίμνη Hebgen του 1959 σε πυρήνα ιζήματος από τη λίμνη Henrys, Αϊντάχο, με αναφορές στη δραστηριότητα (ή συγκέντρωση καισίου-137). Οι αλλαγές στο καίσιο-137 σχετίζονται με ατμοσφαιρικές πυρηνικές δοκιμές και παρέχουν ένα μέσο χρονολόγησης του δείγματος. Αυτές οι μετρήσεις απεικονίζονται στα δεξιά με το βάθος (σε cm) του πυρήνα. 

Αν και υπάρχουν πολλά περισσότερα για εξερεύνηση σχετικά με τη συγκεκριμένη εξέλιξη της λίμνης Henrys και άλλων λιμνών στην περιοχή του δυτικού Yellowstone, είναι πολλά υποσχόμενο ότι μια ρηχή λίμνη με ήπια κλίση περιθώρια μπορεί να καταγράψει σεισμό. Αυτά τα ευρήματα παρέχουν αυξημένη εμπιστοσύνη στην ικανότητά μας να διερευνήσουμε αποθέσεις που σχετίζονται με την δόνηση σε άλλες λίμνες με παρόμοια χαρακτηριστικά στην περιοχή των Βραχωδών Βουνών ή πέρα ​​από αυτήν.

Γεωδίφης με πληροφορίες από το usgs

https://www.usgs.gov/observatories/yvo/news/even-small-lakes-can-tell-big-earthquake-stories-yellowstone-region