Háþrýstir vökvar úr möttli losa um gamlar skjálftasprungur

Mikilvægur þáttur í jarðskjálftaspárannsóknunum var að skilja þetta sérstaka við Suðurlandsbrotabeltið, að sprungur einstakra jarðskjálfta eru í norður-suður, þvert á heildarmisgengi beltisins sem er í austur-vestur. Þetta var aðallega byggt á kortlagningu Páls Einarssonar og samstarfsmanna hans á jarðskjálftasprungum fyrri tíma, en líka því að skemmdasvæði gömlu Suðurlandsskjálftanna voru ílöng frá norðri til suðurs. Þetta var í andstöðu við einföldustu útgáfur plötukenningarinnar.

Árið 1988 var sett fram sú tilgáta að í beltinu væri samspil milli uppstreymis basaltvökva upp í brotgjörnu skorpuna og útlausnar skjálfta (Grein í Tectonophysics 1988 eftir Ragnar Stefánsson og Pál Halldórsson). Slíkt samspil gæti bæði útskýrt af hverju skjálftasprungurnar væru norð-suðlægar og lægju svona þétt saman, hlið við hlið, 10-20 km langar. Innskot af kvikum að neðan gæti ráðið því hvar í beltinu jörð spryngi hverju sinni til að leysa út spennu vegna flekahreyfingarinnar. Staðreynd var að skjálftar höfðu ekki endurtekið sig á sömu skjálftasprungu eins lengi og sjáanlegt var aftur í tímann, eða frá því um 1700, heldur til hliðar og stundum minna en 5 kílómetra frá síðustu skjálftasprungu. Það hlaut að vera misleitni í jarðskorpunni sem olli þessu og sú misleitni hlaut að vera breytileg með tímanum. Vökvar sem flæða um bergið eru einmitt líklegir til að valda slíkum breytileika. Þeir hefðu hjálpað til við að viðhalda norður-suður gliðnunarsprungum, frá því fyrir daga þvergengisbeltis Suðurlands, og á þeim verða Suðurlandsskjálftarnir.

Það studdi þessa tilgátu að á 9. áratugnum uppgötvuðu þýskir og íslenskir vísindamenn með magnetótellúrískum rannsóknum (eins konar rafsegulmælingum), að neðan við hörðu skorpuna á 10-20 kílómetra dýpi væri mjög lágt rafmagnsviðnám, mikil rafleiðni. Það er samantekt um niðurstöður þessara rannsókna á 9. áratugnum í grein sem Axel Björnsson skrifaði í Tectonophysics 2008.

Þeir gátu ekki séð nákvæmlega hversu djúpt eða þykkt þetta leiðandi lag var. Jarðskjálftamælingar gefa skýrt til kynna að þótt bergið undir brotgjörnu skorpunni sé linara en í efstu 10 kílómetrunum þá er það samt fast berg. Við túlkuðum þetta tvennt sem svo að á 10-20 km dýpi væru berglög sem væru alsett leiðandi vökvapórum (bólum), sem væru myndaðar af háþrýstum kvikum, sem stíga upp úr möttlinum eða möttulstróknum frá rúmlega 100 kílómetra dýpi.

Skissuna í Mynd 1 lagði ég fram á vinnufundi um jarðskjálftaspárannsóknir 1999 rúmu ári fyrir 2000 skjálftana til að útskýra hvernig uppstreymi vökva að neðan gæti spilað inn í útlausn jarðskjálfta á Suðurlandi. Þessu samspili er lýst á eftirfarandi hátt í þessu líkani. Háþrýstar vökvapórur að neðan stranda við hörðu skorpuna á ca 10 km dýpi, nema að því leyti sem þær sprengja sig upp í gamlar jarðskjálftasprungur og taka þátt í útlausn jarðskjálfta eins og fyrr er sagt.

Sprungur sem eru merktar 1 í myndinni eru eftir jarðskjálfta sem voru fyrir ca hundrað árum. Við sjáum enn þá „eftirskjálfta“ þeirra, sveru strikin fyrir neðan 1. Sprungur sem eru merktar 2 eru eftir meira en 300 ára gamla skjálfta, grennri strik. Hér eru engir „eftirskjálftar“ en háþrýstar vökvapórur eru farnar að skjótast upp í hörðu skorpuna og veikja hana, tæra samloðun í gamalli sprungu, og boða nýjan stórskjálfta.

Það var lengi efast um að hægt streymi vökva upp í sprungur í hörðu skorpunni gæti valdið broti. Það væri vissulega hár þrýstingur í þessum vökvum, en þeir væru svo heitir að þeir myndu bræða út frá sér og glata þannig þrýstingnum. Kvikuinnskot og uppstreymi kviku eru auðvitað í gosbeltunum, en þá er það gliðnunin, opnunin, sem hleypir kvikunni upp. Í þvergengisbeltinu opnar skorpan ekki fyrir kvikunni með sama hætti.

Maurizio Bonafede og samstarfsteymi hans við háskólann í Bologna á Ítalíu tóku við þessum bolta og sýndu fram á að háþrýstir vökvar neðan út möttli, eins og t.d. möttulvatn, gætu vissulega skotist upp hörðu skorpuna og valdið staðbundnum breytingum á þrýstingi og þar með opnað sprungur.

Þetta var ein af mikilvægustu niðurstöðum jarðskjálftaspárannsóknanna. Þeir gerðu af þessu fræðilegt líkan. Vökvinn sem notaður er í líkanið er vatn, en niðurstaðan hefði alveg eins gilt fyrir aðra vökva/lofttegundir sem streyma upp úr möttlinum/möttulstróknum og eru samþjappanlegir við hitastig og þrýsting sem er djúpt í skorpunni. Þetta gengur þá þannig fyrir sig að vökvadreypni er miklu minni gegnum hörðu basaltskorpuna okkar en gegnum mýkri skorpuna fyrir neðan. Stöðugt uppstreymi þessara léttu vökva stöðvast því við botn hörðu skorpunnar og myndar uppistöður með háum þrýstingi. Þeir komast bara áfram upp með því að skjótast upp í sprungur, sem opnast svo í samspili hins háa þrýstings í þeim við flekahreyfinguna í beltinu.

Varminn í vökvanum fer í að þrýsta honum upp eftir brotgjörnu skorpunni og hitinn í honum verður sá sami og í berginu umhverfis. Hann bræðir það því ekki og hinn hái vökvaþrýstingur helst. Hann ýtir undir smáskjálfta dreift umhverfis þessa gömlu sprungu, og að lokum hjálpar hann flekamisgenginu til að koma nýjum stórskjálfta af stað á sprungunni.

Forvirkni 17. júní skjálftans

Niðurstöður þessara fræðilegu rannsókna voru staðfestar í mælingum á smáskjálftum fyrir og eftir fyrsta skjálftann 2000, í Holtum. Mynd 2 lýsir aðdraganda hans.

Skissan til vinstri lýsir ástandinu í 9 ár fyrir skjálftann. Við sjáum austur-vestur meginfærsluna um Suðurlandsbrotabeltið. Við sjáum skjálftasprungu gamals og verðandi stórskjálfta og harðan (gráan) kjarna í miðju hennar sem heldur á móti sniðgengishreyfingu um hana. Norðvestur og suðaustur af þessum kjarna sjáum við ljósgrá svæði þar sem um 9 ára skeið hafa orðið hrinur smáskjálfta öðru hverju á 6-8 km dýpi. Þeir stafa af því að hinn harði kjarni er fyrirstaða fyrir hina staðföstu austur-vestur þvergengishreyfingu um brotabeltið sem skapar lágan bergþrýsting á þessum svæðum. Háþrýstur vökvi, mest vatnsgufa, þrýstir sér upp í þennan lágþrýsting, í skjóli kjarnans, og veldur ásamt flekaskriðinu vel mælanlegum smáskjálftahrinum á þessum svæðum.

Skissan til hægri táknar ástand síðustu 17 daga fyrir skjálftann. Misgengishreyfing niðri í mjúku skorpunni hefur nú náð svo hátt upp að það er farið braka rækilega í þessari hundraða ára gömlu sprungu. Skjálftarnir fyrir norðvestan og suðaustan kjarnann eru hættir að mestu og vökvarnir sem ollu þeim hjálpa nú til að glenna upp sprunguna og það fara að verða skjálftar fram og aftur, upp og niður, eftir sprungunni allri eins og ég lýsti í síðustu grein. Það er byrjuð hæg brotahreyfing um mestalla sprunguna. Í skissunni sést þetta í skástígum sprungum smáskjálfta kringum meginsprunguna. Hinn ósveigjanlegi kjarni heldur á móti, en spennan hleðst upp í honum þar til hann byrjar að gefa sig 16. júní og brotnar í tvennt 17. júní, sem losar um tveggja metra sniðgengis hreyfingu á hinni 12 kílómetra löngu sprungu.

Skjálftahringurinn

Í skissunum í Mynd 3 er sýnt hvernig ég ímynda mér að langtíma aðdragandinn sé fyrir nýjan stórskjálfta á 500 ára gamalli, samlímdri jarðskjálftasprungu. Austur-vestur flekahreyfingin er samfelld og hún ásamt vökvaþrýstingi að neðan fer að brjóta upp hina gömlu sprungu.

Myndaserían byrjar fyrir 100 árum. Við norður og suður enda sprungunnar, þar sem mætast brotabeltið og ósveigjanlegra berg utan við það, hafa myndast smásprungur. Með tímanum verða svo stærri brot á sprungunni í miðlungsstórum skjálftum. Harður kjarni verður eftir og heldur á móti gegnumbroti. Síðustu 10 árin mynda svo harði kjarninn og staðföst flekahreyfingin mynstur þar sem svæði með lágan bergþrýsting myndast fyrir norðvestan og suðaustan kjarnann. Síðustu 17 daga fyrir skjálftann fer sprungan öll að ganga til og það reynir á harða kjarnann sem endar svo með því skjálfti upp á 6,6 verður við tveggja metra sniðgengi á sprungunni í heild.

Til að kynna sér efnið betur bendi ég á bók mína Advances in Earthquake Prediction (Útg. Springer ) og á bókina Náttúruvá á Íslandi.