Volcanic similar earthquakes driven by aseismic slip associated with volcanic activity at Ogasawara Ioto

Diep onder het oceaanoppervlak, waar de aardkorst voortdurend verschuift, doen vulkanen meer dan alleen uitbarsten. Ze ademen, zwellen en trillen met een constante, laagfrequente seismische brom. Om deze rusteloze reuzen te begrijpen, luisteren wetenschappers naar de minuscule trillingen die door het gesteente rimpelen, waarbij ze ze behandelen als een hartslag die de gezondheid van de vulkaan onthult. Onder deze trillingen bevindt zich een bijzonder type gebeurtenis genaamd "gelijke aardbevingen". Dit zijn geen willekeurige schokken; het zijn bijna identieke kopieën van elkaar, die keer op keer vanuit exact dezelfde plek herhalen. Wanneer een vulkaan deze herhalende schokken produceert, suggereert dit dat een klein, specifiek stuk gesteente telkens opnieuw glijdt, vergelijkbaar met een deurhing deeltje dat telkens in hetzelfde ritme piept wanneer het wordt geopend. Door deze herhalende signalen te bestuderen, kunnen onderzoekers de verborgen bewegingen van magma en vloeistoffen diep onder de grond in kaart brengen, zelfs wanneer de grond aan de oppervlakte niet zichtbaar schudt.

In de afgelegen Izu-Ogasawara eilandboog is een klein vulkanisch eiland genaamd Ioto (of Iwo-Jima) een brandpunt geweest voor dergelijke activiteit. Dit eiland is een actieve caldera-vulkaan, een enorme krater gevormd door oude erupties, en het ondergaat momenteel een dramatische transformatie. Eeuwenlang is het hele eiland langzaam omhoog gekomen, een proces dat wordt gedreven door magma die van onderaf omhoog duwt. Hoewel deze opheffing goed gedocumenteerd is, bleef de precieze manier waarop het gesteente binnen het eiland op deze druk reageert, een mysterie. Een recente studie door onderzoekers van het National Research Institute for Earth Science and Disaster Resilience in Japan heeft eindelijk het gordijn opgetrokken voor deze verborgen activiteit. Door duizenden seismische opnames te analyseren die in vijf jaar tijd zijn verzameld, ontdekten zij dat de constante stijging van het eiland niet slechts een vloeiende, stille lift is. In plaats daarvan wordt de grond omhoog geduwd door een meedogenloze reeks kleine, herhalende glijdingen langs verborgen breuken, wat een duidelijk patroon van gelijke aardbevingen creëert dat een helder verhaal vertelt van spanning en ontspanning.

De onderzoekers begonnen met het doorzoeken van een enorme catalogus van ongeveer 60.000 aardbevingen die tussen 2018 en 2023 bij Ioto zijn geregistreerd. De meeste van deze gebeurtenissen waren hoogfrequente trillingen, scherp en kort, typerend voor vulkanische regio's. Met behulp van een computeralgoritme dat ontworijpt is om patronen in ruis te vinden, groepeerden zij de aardbevingen op basis van hoe nauw hun golfvormen met elkaar overeenkwamen. Het is een beetje zoals het sorteren van een stapel van duizenden handgeschreven brieven om de brieven te vinden die door dezelfde persoon zijn geschreven; de handschrifstijl is zo consistent dat de oorsprong onmiskenbaar is. Het team identificeerde 19 verschillende groepen van deze "gelijke aardbevingen", waarbij de golven er bijna identiek uitzagen, wat suggereert dat ze allemaal uit dezelfde kleine bron kwamen. Opmerkelijk genoeg vormden deze herhalende gebeurtenissen ongeveer een kwart van alle vulkanische aardbevingen die tijdens de onderzoeksperiode werden gedetecteerd, wat bewijst dat deze herhalende glijding een dominant kenmerk is van het seismische leven van het eiland, en geen zeldzame anomalie.

Zodra de groepen waren geïdentificeerd, werkten de wetenschappers eraan om precies te bepalen waar deze glijdingen plaatsvonden. Door de timing van de golven, de richting waarin ze reisden en hun sterkte te combineren, brachten zij de locaties van de 19 clusters in kaart. De resultaten toonden een opvallend patroon: de gelijke aardbevingen waren niet willekeurig verspreid over het eiland. In plaats daarvan klonterden ze dicht rond bekende actieve breuklijnen, met name in het zuidwestelijke deel van het eiland. Verrassend genoeg werden er geen gelijke aardbevingen gevonden direct onder de centrale resurgente koepel, een grote, opgeheven heuvel in het midden van de caldera. Deze afwezigheid is significant; het suggereert dat het gesteente direct onder de koepel waarschijnlijk te heet of te vol vloeistof is om op de brosse manier te breken die vereist is om deze herhalende schokken te creëren. In plaats daarvan wordt de spanning ontlast langs de randen, waar de stijgende koepel tegen het omliggende gesteente schuurt, wat kleine, herhalende glijdingen op smalle breuklijnen veroorzaakt.

De timing van deze gebeurtenissen bood nog een cruciale aanwijzing. De onderzoekers vonden een sterke link tussen de frequentie van deze gelijke aardbevingen en de snelheid waarmee het eiland steeg. Wanneer de grond sneller omhoog kwam, vonden de aardbevingen vaker plaats. Sterker nog, de tijd tussen deze herhalende glijdingen was ongelooflijk kort, vaak slechts enkele dagen. Dit is veel sneller dan de herhalende aardbevingen die worden gezien langs grote tektonische plaatgrenzen, waar dergelijke gebeurtenissen misschien jaren of decennia op zich laten wachten om te herhalen. De snelheid van de recurrente gebeurtenis bij Ioto is een direct gevolg van de snelle opheffing van het eiland, die een snelheid heeft van tot wel één meter per jaar. Deze intense druk belast de kleine breukpatches zo snel dat ze falen en bijna onmiddellijk weer glijden, wat een razendsnelle sequentie van kleine aardbevingen creëert.

Om de fysieke aard van deze glijdingen te begrijpen, schatten het team de grootte van de breukpatches en de hoeveelheid vrijgekomen spanning in. Zij berekenden dat het oppervlak van het gesteente dat bij elke gebeurtenis gleed, ongelooflijk klein was, met een straal van slechts ongeveer 21 meter. De hoeveelheid vrijgekomen spanning, ook wel de stress drop genoemd, was ook zeer laag en bedroeg minder dan één megapascal voor bijna alle clusters. Om dit in perspectief te plaatsen: dit is een zeer milde vrijgave van energie vergeleken met de enorme stress drops die worden gezien bij grote, destructieve aardbevingen. De lage spanning en de kleine omvang suggereren dat het gesteente in deze gebieden verzwakt is, waarschijnlijk door de aanwezigheid van hete vulkanische vloeistoffen en stoom die de breuklijnen smeren. Omdat het gesteente zo zwak is en het glijdende oppervlak zo klein, blijven de aardbevingen klein en overschrijden ze zelden een magnitude van 1,0, wat verklaart waarom het eiland niet de grote, verwoestende bevingen ervaart die men bij andere vulkanische locaties ziet.

De studie keek ook naar de totale hoeveelheid beweging veroorzaakt door deze glijdingen. Door de glijding van alle gelijke aardbevingen over de vijfjarige periode bij elkaar op te tellen, vonden de onderzoekers dat de cumulatieve beweging ongeveer drie meter bereikte. Dit is een aanzienlijke hoeveelheid beweging, maar het beslaat slechts ongeveer 60 procent van de totale opheffing die aan het oppervlak werd waargenomen. Dit verschil onthult een essentieel puzzelstukje: hoewel de gelijke aardbevingen een belangrijke ontlasting van spanning vertegenwoordigen, zijn ze niet het hele verhaal. Een aanzienlijk deel van de stijging van het eiland vindt stilzwijgend plaats, via aseismische glijding, waarbij het gesteente vloeiend schuift zonder enige aardbeving te genereren. Dit betekent dat het eiland vervormt door een combinatie van gewelddadige, kleine rukken en een gestage, stille stroom.

De bevindingen schetsen een beeld van een vulkaan die levend en actief is, maar op een manier die verschillend is van de explosieve erupties die vaak met dergelijke plaatsen worden geassocieerd. De herhalende, kleinschalige aardbevingen bij Ioto zijn het geluid van de korst die zich aanpast aan de immense druk van opstijgend magma. Het zijn geen tekenen van een naderende, catastrofale eruptie, maar eerder bewijs van een systeem dat voortdurend spanning ontlaat via een netwerk van kleine, gesmeerde breuklijnen. Het onderzoek bevestigt dat de snelle opheffing van het eiland deze herhalende glijdingen aanjaagt, en dat de aanwezigheid van vulkanische vloeistoffen een sleutelrol speelt bij het laag houden van de breuksterkte. Hoewel de exacte geometrie van de breuken moeilijk vast te stellen blijft vanwege het beperkte aantal seismische stations op het kleine eiland, is het algemene beeld duidelijk: Ioto is een dynamisch systeem waar de grond voortdurend verschuift, glijdt en stijgt, gedreven door de trage, krachtige duw van de aarde van onderaf. Deze kennis helpt wetenschappers om vulkanische activiteit beter te monitoren, waarbij zij onderscheid maken tussen de onschadelijke, herhalende aanpassingen van een stijgende koepel en de gevaarlijkere signalen die een grote eruptie kunnen voorafgaan.