A 2011-es 9.0 magnitúdójú Tōhoku földrengés

Kéregmozgás a rengés előtt és alatt, a felszínen és a mélyben űrgeodéziai mérések alapján

Dr. Grenerczy Gyula (FÖMI-KGO és MTA-BME Geodinamikai Kutatócsoport)

A természet nukleáris energiával fűt. Földünk belsejében a hő kb. 80%-ban radioaktív anyagok bomlásából keletkezik, a többi 20 % a bolygó keletkezésének korából maradt ránk. Ez a hő a gömbhéjas felépítésű Föld középső, legnagyobb gömbhéjában, a köpenyben hatalmas anyagáramlatokat indít és tart fenn, amit termikus konvekciónak nevezünk. A Föld külső, merev kőzetburka a litoszféra. A termikus konvekciók, azaz a hőmérséklet hatására létrejövő anyagáramlatok a kőzetlemezekre osztott litoszférát folyamatos mozgásban tartják. Ezt nevezük lemeztektonikának, ennek tudható be a földrengések, vulkánok, medencék, hegységek keletkezése, s közvetve az emberi léthez kapcsolódóan még sok-sok minden. 

A kéregmozgás

A kőzetlemezek mozgását ma már korszerű űrgeodéziai eszközökkel térképezzük fel és követjük nyomon a világ minden táján, Japánban és hazánkban is. Kéregmozgás vizsgálatára hálózatokat telepítünk, nagypontosságú GPS műholdas méréseket végzünk. A pozíció változása, a pontok sebessége meghatározható, ezzel térképezzük fel a földkéreg jelenkori mozgásviszonyait. A japán földrengés esetére vonatkozóan a Minami Tori Shima korallzátonyról is vannak GPS műholdas mérések, amiből ismerhetjük, hogy a Csendes-óceáni-lemez és az Ohotszk-lemez 90 mm/év sebességgel közeledik egymáshoz a Japán-árok, mint lemezhatár mentén. A Japán-szigetek ezen része rajta ül az Ohotszk-lemezen. Az ország a műholdas kéregmozgás-vizsgálatok alapján a földrengés előtt 17-20 mm/év sebességgel nyomódott össze kelet-nyugati irányban. Összehasonlítva az Adrai-mikrolemez 2.5-4.5 mm/évvel közeledik felénk, s a Pannon-medence 1.5 mm/évvel nyomódik össze a GPS méréseink alapján.

Japánban a GSI Intézet létrehozta a GEONET nevű GPS hálózatot a kéregmozgás vizsgálatára, amely több mint 1200 folyamatosan észlelő állomásból áll. A jelenkori kéregmozgást ennek az 1200 állomásos GPS hálózatnak a folyamatos méréseiből vektorokkal, nyilakkal - melyek a mozgás irányát és nagyságát jelentik- szemléltethetjük (bal oldali ábra). Itt a kéreglemezek határa is jelölve van. Ezekből az adatokból a japán GSI intézet által létrehozott animáció (jobb oldali ábra) pedig mozgásban mutatja, hogyan deformálódik Japán.

Nagy felbontású kép letöltése (40kB)A

Nagy felbontású kép letöltése (44kB)B

A végbemenő tektonikai folyamat, azaz a földrengés közvetlen eredetét az alábbi ábrán és videón érthetjük meg. Az IRIS szeizmológiai szövetség animációja igen szemléletesen mutatja be azt a tektonikai folyamatot, ami a földrengést okozza: magát a rengést, valamint annak a GPS-es kéregmozgás-megfigyelésekhez való viszonyát. Valójában ez utóbbiból lehetett a bemutatott, a mélységben lezajló tektonikai folyamatra megfigyelést és következtetést tenni.

Nagy felbontású kép letöltése (40kB)

Az animáción magassági szelvényben látható a mélyben zajló folyamat, amely szerint a Csendes-óceáni-lemez közeledik keletről, majd alábukik az Ohotszk-lemez alá. Ez utóbbin található a Japán-szigeteknek az érintett Tōhoku tartománya. Az alábukás, vagy másnéven szubdukció nem egyenletesen zajlik, súrlódás van a két lemez között. Sőt, sok helyütt a két lemez egyáltalán nem is mozog egymáshoz képest, blokkolódtak. A feszültség pedig folyamatosan halmozódik fel a szüntelen közeledés hatására, míg egyszer eléri azt a pontot, ahol törés és földrengés keletkezik. A felszabaduló feszültség hatására hirtelen megugranak a lemezek és földrengéshullámok, majd szökőár érkezését észleljük. Ez a folyamat GPS mérésekkel vizsgálható. A japán partok mentén nyugati irányú mozgás tapasztalható, annak megfelelően, hogy a Csendes-óceáni-lemez tolja a szigetet maga előtt, s gyűri fel a szárazföldi területet. A földrengéskor viszont, ahogy a gyülemlő feszültség felszabadul, nagy ugrás történik az ellentétes, keleti irányba.

A GEONET GPS adatokból már évekkel ezelőtt ismeretes volt, hogy hol valószínű a legnagyobb földrengés, hol halmozódik fel a legnagyobb feszültség, hol van a két lemez “összetapadva”, nem engedvén, felfogván az egymáshoz képesti mozgást, egyre nagyobb és nagyobb feszültséget felhalmozva a kéregben. Ennek a lemezhatár-blokkolódásnak a mértéke eléri a 100 %-ot néhány helyen, ami azt jelenti, hogy a lemezhatárzónában a két lemez nem mozog egymáshoz képest, megállni látszik az alábukó folyamat, feszültség halmozódik fel. Ez minnél tovább tart annál nagyobb rengésre lehet számítani. A lemezhatár blokkolódásának mértékét felszíni kéregmozgás-mérésekből becsülni lehet. Az alábbi ábrán Loveless és társai már évekkel a rengés előtt bemutatták blokkolódás mértékének modeljét. A piros területek azt jelzik, hogy ott közel 100%-ban összetapad a két lemez, gyülemlik a feszültség, ami idővel nagy földrengés közepette felszabadul, a két lemez hirtelen elmozdulását eredményezvén. A kép közepén lévő piros folt az a hely, ahol később 9.0 magnitúdójú óriási földrengés kipattant.

Nagy felbontású kép letöltése (40kB)

Az ábrát, az annak közepén lévő foltot érdemes összevetni a bekövetkezett földrengés elmozdulását mutató, a következő felyezetben található ábrával. Az egyezés igen szembetűnő. Ahol és amennyire blokkolódott a két lemez mozgása, relatíve olyan mértékű elmozdulást, ugrást tettek a lemezek e drámaian nagy földrengés során.

A földrengés

A fent bemutatott folyamat 2011 március 11-én 14:46 japán idő szerint (05:46:23UTC) elérte a kritikus állapotot, és 32 km mélyen, a tenger alatt 9.0 magnitúdójú földrengés pattant ki az USGS, Amerikai Geológiai Szolgálat adatai szerint. Az rengés energiája 600 milliószorosa volt a Hiroshimára ledobott atombombáénak. Több mint öt percen keresztül érezhetően remegett a föld Japánban. A hirtelen kéregmozgás, vetődés során az Ohotszk-lemez feltolódott a Csendes-óceáni-lemezre. A vetődés nagysága kb. 500-600 km hosszú volt a és 200 km széles. A legnagyobb elmozdulás pedig kb. 25-30 méter a mélyben a két lemez találkozásánál. A mélyben lezajlott elmozdulás becslése látható az alábbi, bal oldali ábrán Miyazaki és munkatársai modellje alapján. A piros pontok a GPS kéregmozgás-megfigyelő állomások, a színárnyalatokkal jelzi a számítások szerint a mélyben valószínűleg lezajlott hirtelen lemezmozgás mértékét, ami a 30 métert is elérte a lemezek találkozásánál.

Miyazaki a földrengés során a lemezeken mélyben történt elmozdulás mértékéből (bal oldali ábra) azt is meghatározta, hogy a szárazföldön a GPS állomásokon milyen mozgásnak kellene látszani. Ezt mutatják a piros nyilak a jobb oldali ábrán. Ugyanitt a fekete nyilak pedig a ténylegesen észlelt elmozdulásokat. Az egyezést azt jelzi, hogy a földrengés bal oldali elmozdulás modelje igen jól leírja a mélyben történt eseményt. A mélyben történt törés során 30 méteres, több száz kilométer hosszú elmozdulás magán a szárazföldön 5.2 méter vízszintes mozgást okozott, a legnagyobb süllyedés pedig több mint 1 méter. Ez utóbbi miatt a partszakaszon a dagály is beljebb jön majd, hiszen a szárazföld kb. 1 métert süllyedt a tengerszinthez képest a földrengés során.

Nagy felbontású kép letöltése (40kB)A

Nagy felbontású kép letöltése (44kB)B

A GPS-szel megfigyelt mozgásokból igen látványos video is készült. A földrengés hatására bekövetkező maradandó elmozdulást, valamint a rugalmas hullámnak az országon való áthaladását szemlélteti az alábbi ábra és video a vízszintes (jobb oldal) és magassági irányban (bal oldal) a japán GSI által üzemeltetett 1200 állomásos GEONET GPS hálózat mérései és az amerikai ARIA kutatócsoport munkája alapján.

Nagy felbontású kép letöltése (40kB)

A földrengéshullámok épületekre gyakorolt hatásáról számos felvétel látott napvilágot. Olyanok ezek, melyeket igen ritkán, ha egyáltalán valaha láthattunk, hisz hasonló esetben az épületek már rég romba dőltek volna. Japánban viszont a mérnökszeizmológiai kivánalmak maximális figyelembevétele miatt az épületek többnyire ellenállnak a nagyobb rengéseknek is. A katasztrófa nagy részét a keltett szökőár és az általa magával sodort törmelékek okozták. A látványos pusztítás ellenére Japán a földrengések és szökőárak tekintetében messze a legfelkészültebb ország a világon. A tudományos ismeretek, a japán nép páratlan fegyelmezettsége, tudatossága, felkészültsége, valamint a megfigyelési és előrejelző rendszereik fejlettsége miatt a katasztrófális pusztítás ellenére a számok nem elsősorban az odaveszettekről, hanem a megmenekültek számáról beszélnek igazán!