Algoritmen väcker nya frågor om Cascadia-jordbävningsrekordet

27 augusti 2024

Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörerna har framhävt följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

• faktagranskad
• betrott källa
• korrekturläst

av University of Texas at Austin

Den Cascadia subduktionszon i Stillahavsområdet i nordvästra USA har en historia av att producera kraftfulla och förödande jordbävningar som har sänkt skogar och ger upphov till tsunamier som har nått ända till Japans kuster.

Den senaste stora jordbävningen var år 1700. Men det kommer antagligen inte vara den sista. Och området som riskerar att påverkas består nu av livliga storstäder som är hem åt miljontals människor.

Att ta reda på frekvensen av jordbävningar - och när nästa 'stora' kommer att inträffa - är en aktiv vetenskaplig fråga som innebär att leta efter tecken på tidigare jordbävningar i den geologiska rekorden i form av skakade stenar, sediment och landskap.

En studie av forskare vid University of Texas vid Austin och deras samarbetspartners ifrågasätter dock tillförlitligheten hos ett jordbävningsregister som täcker tusentals år - en typ av geologiskt insättning som kallas turbiditer som finns i havsbottens lager.

Forskarna analyserade ett urval av turbiditlager från Cascadia subduktionszonen som daterades till ca 12 000 år sedan med en algoritm som bedömde hur väl turbiditlager korrelerade med varandra.

De fann att i de flesta fall var korrelationen mellan turbiditproverna inte bättre än slumpen. Eftersom turbiditer kan orsakas av olika fenomen, och inte bara av jordbävningar, tyder resultaten på att turbiditregistrets koppling till tidigare jordbävningar är mer osäker än tidigare antagits.

'Vi vill att alla som hänvisar till intervall av Cascadia subduktionsjordbävningar ska förstå att dessa tidslinjer ifrågasätts av denna studie,' sa Joan Gomberg, en forskningsgeofysiker vid United States Geological Survey och studiens medförfattare. 'Det är viktigt att genomföra ytterligare forskning för att förbättra dessa intervall. Vad vi vet är att Cascadia var seismisk aktiv i det förflutna och kommer vara det i framtiden, så slutligen behöver människor vara förberedda.'

Resultaten förändrar inte nödvändigtvis den uppskattade jordbävningsfrekvensen i Cascadia, som är ungefär var 500:e år, sa forskarna. Den nuvarande frekvensuppskattningen baseras på en rad data och tolkningar, inte bara de turbiditer som analyserades i denna studie. Resultaten visar dock på behovet av mer forskning om turbiditelager, specifikt, och hur de relaterar till varandra och stora jordbävningar.

Medförfattaren Jacob Covault, en forskningsprofessor vid UT Jackson School of Geosciences, sa att algoritmen erbjuder ett kvantitativt verktyg som ger en replikerbar metod för att tolka gamla jordbävningsregister, som vanligtvis baseras på mer kvalitativa beskrivningar av geologin och deras potentiella samband.

'Det här verktyget ger ett upprepningsbart resultat, så alla kan se samma sak,' sa Covault, medgrundare till Quantitative Clastics lab vid Jackson School's Bureau of Economic Geology. 'Du kan eventuellt argumentera mot det resultatet, men åtminstone har du en baseline, en metod som är reproducerbar.'

Resultaten publicerades i Geological Society of America Bulletin. Studien inkluderade forskare från USGS, Stanford University och Alaska Division of Geological & Geophysical Surveys.

Turbiditer är resterna av undersjöskred. De består av sediment som sjunkit tillbaka till havsbotten efter att ha kastats ut i vattnet genom ett turbulent rörelsemönster av sediment som rusar över havsbotten. Sedimenten i dessa lager har en distinkt gradation, med grövre korn längst ned och finare korn längst upp.

Men det finns mer än ett sätt att skapa ett turbiditlager. Jordbävningar kan orsaka jordskred när de skakar om havsbotten. Men det kan också göras av stormar, översvämningar och en rad andra naturfenomen, även om på en mindre geografisk skala.

Att för närvarande koppla turbitider till tidigare jordbävningar involverar vanligtvis att hitta dem i geologiska kärnor tagna från havsbotten. Om en turbidit dyker upp ungefär på samma plats i flera prover över ett relativt stort område räknas det som en rest av en tidigare jordbävning, enligt forskarna.

Trots att kol-datingprover kan hjälpa till att avgränsa tidpunkten, finns det fortfarande mycket osäkerhet vid tolkningen om prover som visas vid ungefär samma tidpunkt och plats är kopplade till samma händelse.

Att få en bättre förståelse för hur olika turbiditprover förhåller sig till varandra inspirerade forskarna att tillämpa en mer kvantitativ metod - en algoritm som kallas 'dynamic time warping' - på turbiditdata. Den algoritmiska metoden går tillbaka till 1970-talet och har ett brett spektrum av tillämpningar, från röstigenkänning till att jämna ut grafik i dynamiska VR-miljöer. Detta är första gången den har tillämpats för att analysera turbiditer, sade medförfattare Zoltán Sylvester, forskningsprofessor vid Jackson School och med-huvudansvarig för Quantitative Clastics Lab, som ledde anpassningen av algoritmen för att analysera turbiditer. 

"Denna algoritm har varit en nyckelkomponent i många av de projekt jag har arbetat med", sade Sylvester. "Men den är fortfarande mycket underanvänd i geovetenskaperna". Algoritmen upptäcker likheter mellan två prover som kan variera över tiden, och avgör hur väl datan mellan dem matchar. För röstigenkänning innebär det att känna igen nyckelord även om de kan talas i olika hastigheter eller tonhöjder. För turbiditerna handlar det om att känna igen delade magnetiska egenskaper mellan olika turbiditprover som kan se olika ut från plats till plats trots att de härstammar från samma händelse. 

"Att korrelera turbiditer är ingen enkel uppgift", sade medförfattare Nora Nieminski, programchef för kustfaror vid Alaska Division of Geological & Geophysical Surveys. "Turbiditer visar vanligtvis betydande laterala variationer som speglar deras varierande flödesdynamik. Därför förväntas det inte att turbiditer bevarar samma depositionala karaktär över stora avstånd, eller ens små avstånd i många fall, särskilt längs aktiva marginaler som Cascadia eller över olika depositionala miljöer." Forskarna utsatte även korrelationer som producerats av algoritmen för en annan nivå av granskning. 

De jämförde resultaten med korrelationsdata beräknade med syntetisk data skapad genom att jämföra 10 000 par slumpmässiga turbiditlager. Denna syntetiska jämförelse fungerade som en kontroll mot slumpmässiga matcher i de faktiska proverna. Forskarna tillämpade sin teknik på magnetiska känslighetsloggar för turbiditlager i nio geologiska kärnor som samlades in under en vetenskaplig kryssning 1999. 

De fann att i de flesta fall var anslutningen mellan turbiditlager som tidigare hade korrelerats inte bättre än slumpmässig. Det enda undantaget från denna trend var för turbiditlager som var relativt nära varandra - inte mer än cirka 15 mil isär. Forskarna betonar att algoritmen bara är ett sätt att analysera turbiditer, och att inkluderingen av annan data kan ändra graden av korrelation mellan kärnorna ena eller andra hållet. 

Men enligt dessa resultat är närvaron av turbiditer vid samma tidpunkt och allmänna område inte tillräckligt för att definiera dem som kopplade till varandra. Och även om algoritmer och maskininlärningsmetoder kan hjälpa till med den uppgiften, är det upp till geovetenskapsmän att tolka resultaten och se var forskningen leder. "Vi är här för att besvara frågor, inte bara tillämpa verktyget", sade Sylvester. "Men samtidigt, om du gör den här typen av arbete, tvingar det dig att tänka mycket noggrant."