Schwere Erdbeben im Süden von San Andreas, moduliert durch den See

Dec 07, 2023

Natur (2023)Diesen Artikel zitieren

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Hydrologische Belastungen können Seismizität in der Erdkruste stimulieren1. Beweise für die Auslösung großer Erdbeben liegen jedoch noch immer nicht vor. Die südliche San-Andreas-Verwerfung (SSAF) in Südkalifornien liegt neben dem Salton Sea2, einem Überbleibsel des alten Lake Cahuilla, der sich im vergangenen Jahrtausend regelmäßig füllte und austrocknete3,4,5. Hier verwenden wir neue geologische und paläoseismische Daten, um zu zeigen, dass die letzten sechs großen Erdbeben auf der SSAF wahrscheinlich auf Hochebenen des Lake Cahuilla5,6 stattfanden. Um mögliche kausale Zusammenhänge zu untersuchen, haben wir zeitabhängige Coulomb-Spannungsänderungen7,8 aufgrund von Schwankungen des Seespiegels berechnet. Anhand eines vollständig gekoppelten Modells einer poroelastischen Kruste9,10,11, die über einem viskoelastischen Mantel12,13 liegt, stellen wir fest, dass hydrologische Belastungen die Coulomb-Belastung auf dem SSAF um mehrere hundert Kilopascal und die Verwerfungsbelastungsraten um mehr als den Faktor 2 erhöhten wahrscheinlich ausreichend, um ein Erdbeben auszulösen7,8. Die destabilisierenden Auswirkungen der Seeüberschwemmung werden durch eine nicht vertikale Verwerfungsneigung14,15,16,17, das Vorhandensein einer Verwerfungsschädigungszone18,19 und eine seitliche Porendruckdiffusion20,21 verstärkt. Unser Modell kann auf andere Regionen anwendbar sein, in denen die hydrologische Belastung, entweder natürlich8,22 oder anthropogen1,23, mit erheblicher Seismizität verbunden war.

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Diese Arbeit wurde vom Southern California Earthquake Center (Zuschuss 21091) an MW und NSF (EAR-1841273), NASA (80NSSC22K0506) und USGS (G20AP00051) an YF unterstützt. Diese Forschung profitierte von der Korrespondenz mit R. Guyer. Dieses Projekt verwendete quartäre Verwerfungsdaten des USGS. Wir danken für die Nutzung des CSRC-Hochleistungs-Computing-Clusters an der San Diego State University.

Abteilung für Geologische Wissenschaften, San Diego State University, San Diego, CA, USA

Ryley G. Hill, Matthew Weingarten und Thomas K. Rockwell

Scripps Institution of Oceanography, University of California San Diego, La Jolla, CA, USA

Ryley G. Hill & Yuri Fialko

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RGH konstruierte das Finite-Elemente-Modell, führte eine Analyse der Modellergebnisse durch und verfasste das Manuskript. MW leitete die Studie, half beim Aufbau des Modells, stellte Zugang zur Modellierungssoftware bereit, akquirierte Fördermittel, half bei der Konzeption des Experiments und kommentierte das Manuskript. TKR führte die paläoseismische Analyse durch, konzipierte das Experiment und trug zum Manuskript bei. YF beriet bei der Modellierung und Interpretation der Modellergebnisse und trug zum Manuskript bei.

Korrespondenz mit Ryley G. Hill.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature dankt den anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Ergebnisse der statistischen Monte-Carlo-Tests (10.000 Proben) basierend auf der PDF-Verteilung von Erdbeben und Seezeiten. Nachdem wir die Erdbeben-PDFs abgetastet haben, bestimmen wir, wie viele in den See fallen, wenn der See zu mehr als 70 % gefüllt ist. Wir vergleichen diese Zeitpunkte mit einer gleichmäßigen Zufallsverteilung von sieben Malen über denselben Seeladezeitbereich. Wir stellen fest, dass die mittleren Zeitpunkte, die innerhalb von Seen auftreten, >97 % der Erdbebenzeitpunkte einer gleichmäßigen Zufallsverteilung betragen, die innerhalb von Seen auftreten.

3D-Modelldomäne der Finite-Elemente-Methode. Das Modellnetz enthält etwa 2 Millionen Tetraederelemente. Die hellblaue Farbe stellt die Ausdehnung des alten Cahuilla-Sees dar. Die vorgeschriebene vertikale Belastung ist hydrostatisch, bis zur maximalen Wassersäule des Sees (97,2 m). Die durchgezogene rote Linie ist die SSAF-Fehlerspur. Die Verwerfungszone wird als Platte modelliert, die um 60° nach Nordosten einfällt (Ref. 54), mit einer angenommenen Mächtigkeit von 200 m (Ref. 19, 46, 84).

Porendruck (MPa) auf dem SSAF als Funktion der Zeit (Jahr n. Chr.) in 7 km Tiefe für Standort 21, einem Punkt der Verwerfung nahe der Mitte des Sees (siehe ergänzende Abbildung 5). Jedes Modell basiert auf der variablen Verwerfungspermeabilität, wobei Modell 1 die durchlässigste und Modell 5 die Zone ohne Schaden darstellt (erweiterte Datentabelle 2).

1D-Analysemodell des Porendrucks für verschiedene Tiefen (blau) mit Porendruck auf Seeoberflächenebene (schwarz). Das kleinere Oberflächenprofil von 1905 bis heute ist das Salton Sea2. Modell 2 der Finite-Elemente-Methode in 7,2 km Tiefe (grüne Linie) zeigt den Effekt der 3D-Diffusion mit einer hochpermeablen Verwerfungszone, eingebettet in ein Wirtsgestein mit geringerer Permeabilität. Das Modell der Finite-Elemente-Methode bei 7,2 km ähnelt dem Porendruck im 1D-Analysefall bei 1 km und zeigt, wie eine Verwerfungsschädigungszone den Porendruck effektiv in die Tiefe übertragen kann. γ = 0,1685; kfault = 1e−15 (m2); khost/1Dmodel = 1e−18 (m2).

Ähnlich wie Abb. 4a, jedoch für einen Punkt, der weiter vom Seezentrum entfernt ist (Punkt 24 in der ergänzenden Abb. 5).

Die unmittelbaren und vorübergehenden Auswirkungen der nicht entwässerten und entwässerten Effekte. Bei t = 0 ist der undrainierte Effekt fast augenblicklich im gesamten poroelastischen Medium unter dem See spürbar. Mit fortschreitender Zeit versucht dieser Effekt, sich in der Tiefe auszugleichen. Bei t = 0 ist der Entwässerungseffekt mit Ausnahme des poroelastischen Oberflächenmediums und des Seebodens nicht spürbar. Mit fortschreitender Zeit erhöht dieser Effekt den Porendruck, da die Diffusion Flüssigkeit von der Oberfläche nach unten treibt. Darüber hinaus bilden sich bei Einwirkung der Seelast unmittelbar unter dem See Kompressionsbereiche, während sich in Randnähe Bereiche mit Ausdehnung bilden.

Diese Datei enthält ergänzende Abbildungen. 1–11.

Berechnung wahrscheinlicher Altersbereiche basierend auf Radiokarbonmessungen von Rockwell et al.6.

Raumzeitliche Entwicklung des Porendrucks. Dieses Video beschreibt die Änderung des relativen Porendrucks in der SSAF für jeden Zeitschritt in unserem Modell der sechs Seebelastungszyklen des alten Lake Cahuilla, das auch die Belastung des Saltonmeeres einschließt. Der *-Punkt auf der Verwerfung ist der Ort des maximalen Porendrucks für eine durchschnittliche seismische Tiefe von 7 km. Der Porendruck bei jedem mit * verbundenen Schritt ist rechts aufgetragen. Es werden zwei weitere Kurven dargestellt, die das Verhältnis des Anteils der Verwerfung mit positivem Porendruck darstellen. Die schwarze Linie zeigt den Porendruck in 7 km Tiefe und die graue Linie den Porendruck über die gesamte Verwerfung hinweg.

Raumzeitliche CFS-Entwicklung. Diese Beschreibung ist dieselbe wie für Zusatzvideo 1, mit Ausnahme von CFS anstelle von Porendruck.

Positive/negative CFS-Entwicklung. Dieses Video beschreibt den binären positiven CFS (rot) im Vergleich zum negativen CFS (blau) im gesamten SSAF für jeden Zeitschritt in unserem Modell. Ein auf der Verwerfungsebene aufgetragenes schwarzes * stellt den Ort zu jedem Zeitschritt mit dem maximalen CFS für die gesamte Verwerfung dar. Auf der rechten Seite sind zwei Linien eingezeichnet, die das positive (rot) gegenüber dem negativen (blau) Verhältnis für CFS im SSAF darstellen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hill, RG, Weingarten, M., Rockwell, TK et al. Schwere Erdbeben im Süden von San Andreas, moduliert durch Seefüllungsereignisse. Natur (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06058-9

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Eingegangen: 15. Juli 2022

Angenommen: 05. April 2023

Veröffentlicht: 07. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06058-9

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