Данные GPS указали на ускоренный сдвиг геодезических станций перед сильными землетрясениями
С их помощью ученые надеются подробнее исследовать подготовку сейсмических событий
Геофизики провели статистический анализ GPS-данных о смещении геодезических станций перед 90 крупными землетрясениями. Выяснилось, что за два часа до сейсмического толчка станции ускоренно перемещались в направлении, которое соответствовало модели предполагаемого медленного скольжения по разлому перед сейсмическим срывом. По мнению ученых, смещения отражают заключительную фазу подготовки землетрясения. Дальнейшие наблюдения на более плотной измерительной сети позволят отслеживать этот процесс на более ранних этапах и повысить эффективность оперативных прогнозов крупных землетрясений. Об исследовании сообщают две статьи (1, 2) в журнале Science.
Надежно спрогнозировать землетрясение ― это значит четко указать время, место и магнитуду предстоящего сейсмического события. Наибольшую практическую ценность представляют краткосрочные (на период до нескольких суток) и оперативные (на ближайшие часы) прогнозы, но надежных методик для них в настоящее время не существует. Подробно почитать о трудностях в деле прогноза землетрясений можно в нашем материале «Зона сейсмического риска».
Некоторые исследователи полагают, что добиться одновременно точности и достоверности, необходимых в краткосрочном прогнозировании, принципиально невозможно. Причиной тому ― неэффективность осреднений из-за фрактального строения геологической среды и динамический хаос, присущий ее поведению и обусловленный чувствительностью к начальным условиям, параметрам и текущей обстановке.
Тем не менее, попытки построения сейсмотектонических моделей, которые позволили бы повысить точность прогнозирования, продолжаются. В них все большую роль ученые отводят фазе перехода от медленного и стабильного асейсмического скольжения по разлому, при котором не происходит разрушения геосреды, к динамическому срыву, вызывающему землетрясение. Тектонический разлом в таких моделях представляется как зона разупрочнения с повышенной ползучестью горных пород, и разрядка их напряженно-деформированного состояния на начальном этапе происходит за счет медленных процессов.
Эти так называемые «тихие землетрясения» сопровождаются излучением низкоамплитудных и низкочастотных сейсмических волн и могут быть связаны с повышенной микросейсмичностью. Однако ее практически невозможно отделить от фона и интерпретировать именно как проявление переходной фазы, то есть как серию форшоков ― предвестников землетрясения.
Французские геофизики Кантен Блетери (Quentin Bletery) и Жан-Матье Ноке (Jean-Mathieu Nocquet) из Университета Лазурного берега попытались выявить переходную фазу с помощью геодезических GPS-измерений. Для статистического анализа они использовали данные о горизонтальном смещении 3026 геодезических станций в течение двух суток перед крупными сейсмическими событиями.
В исследование вошли данные о зарегистрированных в разных регионах Земли 90 землетрясениях магнитудой 7,0 и выше (в том числе Великое восточно-японское землетрясение, или Тохоку, магнитудой 9,0 в марте 2011 года). Рассматривались станции, расположенные в радиусе до 500 километров от эпицентра. Для каждой из них данные об изменении положения образовали временной ряд с пятиминутным шагом.
Блетери и Ноке рассчитали величины горизонтальных смещений, которые должны были произойти на каждом шаге из-за медленного асейсмического скольжения. При моделировании исследователи учитывали глубину гипоцентров, магнитуду и геодинамические обстановки в районах землетрясений.
Анализ показал, что в сдвигах геодезических станций приблизительно за два часа до землетрясений появилась тенденция к экспоненциальному ускорению. Она проявлялась тем четче, чем ближе располагались станции к эпицентру надвигающегося землетрясения и чем гуще была их сеть. Такая картина сдвигов сложилась за счет данных, относящихся к районам 52 сейсмических событий из 90 (около 58 процентов) и собранных на 2235 станциях (почти 74 процента). Вызвавшее эти сдвиги медленное скольжение должно было создать средний суммарный момент силы 3,9 × 1018 ньютон-метров, что соответствует количеству энергии, выделяющемуся при землетрясении магнитудой 6,3.
Исследуя глобальный стек сдвигов, Блетери и Ноке обнаружили, что в течение 48-часового промежутка времени перед землетрясением положение станций слабо колеблется вдоль предполагаемой линии скольжения с периодом около 12,9 часа, что очень близко к периоду лунного полусуточного прилива (12,4 часа). Ученые предположили, что приливное воздействие могло отразиться на режиме скольжения, а при достижении критической стадии ― даже послужить триггером динамического срыва.
Блетери и Ноке полагают, что эффект ускоренного сдвига поверхности непосредственно перед землетрясением ― это лишь проявление заключительной фазы медленного скольжения. Выделить его из общего фона на более ранних этапах пока не представляется возможным, так же как и отследить подготовку отдельного землетрясения: четкая картина ее видна лишь при суммировании результатов. Однако, как отмечает автор второй статьи Роланд Бюргманн (Roland Bürgmann) из Калифорнийского университета в Беркли, расширение геодезических наблюдений и уплотнение сети станций должно существенно дополнить данные сейсмического мониторинга. Ученые смогут подробнее изучить роль медленного скольжения в подготовке крупных землетрясений и повысить надежность краткосрочного и оперативного прогнозирования.
Ранее N + 1 сообщал о том, как ученые измерили колебания скорости сейсмических волн, связанные с приливными деформациями и выделили в катастрофическом землетрясении IV века на Крите два события. А еще мы рассказывали, как геофизики приспособили моделирование для прогноза техногенных землетрясений.
Изотопы гафния и неодима рассказали об источниках строительного материала для архейского кратона Пилбара
Изотопные исследования пород кратона Пилбара в Австралии позволили геологам не только уточнить время его формирования, но и детализировать картину этого процесса. Оказалось, что ядро одного из древнейших блоков континентальной коры образовалось в период от 3,52 до 3,12 миллиарда лет назад в основном благодаря неоднократным поступлениям с глубины вещества примитивной мантии. Прирост протоконтинента за счет рециклинга ранее сформированной коры был незначительным и лишь около трех миллиардов лет назад начал играть заметную роль в формировании кратона. Об исследовании сообщает статья в журнале Earth and Planetary Science Letters. Большая часть информации о тектонической жизни нашей планеты в ранние эпохи ее существования стерта последующей геологической активностью. Немногочисленные следы далекого прошлого сохранились в породах самых древних стабильных участков континентальной коры ― кратонов. Основания кратонов ― гранит-зеленокаменные области ― сформировались еще в архее, более 2,5 миллиарда лет назад. Их отличает характерная структура, в которой зоны глубокого залегания основных и ультраосновных вулканогенных пород зеленокаменного пояса перемежаются куполовидными образованиями. Эти купола сложены кислыми гранитоидными породами, принадлежащими к так называемой тоналит-трондьемит-гранодиоритовой (ТТГ) ассоциации и типичными для архейских протоконтинентальных структур. Для возникновения такой структуры, получившей название купольно-килевой, нужны иные условия, чем те, что господствуют на Земле сейчас. В раннем архее из-за высокой температуры мантия не обладала нужной вязкостью, а древняя кора ― достаточной плотностью. Поэтому механизм тектоники плит еще не действовал (некоторые ученые полагают, что он мог проявляться в локальном масштабе). В примитивной литосфере, как и в мантии, ведущая роль принадлежала процессам вертикального переноса вещества. Как показали исследования пород кратона Пилбара на западе Австралии, вертикальное (гравитационное) перемешивание в пластичной и расслоенной по плотности коре способствовало развитию стабильной гранит-зеленокаменной области уже около 3,4 миллиарда лет назад. У магм, из которых кристаллизовались породы гранит-зеленокаменных областей, могло быть три источника. Первый ― это примитивная мантия, близкая по составу к протопланетному веществу хондритов. Второй ― деплетированная мантия, представляющая собой резервуары вещества, обедненного литофильными элементами после образования коры. Наконец, третьим возможным источником считается материал самой коры, вторично переплавленный в ходе тектонических процессов. О том, какой из источников внес наибольший вклад в формирование древнейших континентов, можно судить по соотношениям изотопов неодима-143 (продукт распада самария-147) к неодиму-144 и гафния-176 (продукт распада лютеция-176) к гафнию-177. За эталон принимают содержание изотопов в хондритовых метеоритах, и если отклонения от него, исчисляемые в сотых долях процента, малы, то порода, вероятнее всего, кристаллизовалась из вещества примитивной мантии. Положительные отклонения означают, что порода происходит из обедненного мантийного резервуара, а отрицательные говорят о том, что ее источником стала переработанная кора. Однако результаты изотопных исследований в ряде случаев демонстрируют большой разброс значений величины отклонения, и это затрудняет понимание того, как эволюционировала в архее земная кора. Чтобы уточнить имеющиеся данные, геологи из Австралии, Дании и США во главе с Энтони Кемпом (Anthony I. S. Kemp) из Университета Западной Австралии изучили образцы с большим диапазоном возрастов, отобранные на разных участках кратона Пилбара. Первую выборку составили 46 образцов основных и ультраосновных пород из зеленокаменных поясов возрастом от 3,52 до 2,95 миллиарда лет. Для них определялось относительное содержание изотопов гафния 176Hf/177Hf и неодима 143Nd/144Nd. Во вторую выборку ученые включили 83 пробы кислых магматических пород ТТГ-ассоциации, в которых исследовали на соотношение 176Hf/177Hf цирконовые зерна. Их возраст, определенный уран-свинцовым методом, составляет от 3,56 до 2,72 миллиарда лет. Результаты анализа зеленокаменных пород показали небольшую положительную аномалию в содержании изотопов (до 0,02 процента в пользу неодима-143 и до 0,035 процента в пользу гафния-176) для образцов возрастом 3,52–3,12 миллиарда лет. Она говорит о том, что активный основной и ультраосновной вулканизм в это время (оно приблизительно соответствует палеоархейской эре) питался, видимо, от слабо деплетированного мантийного источника, почти не обедненного литофильными элементами. Такой результат не согласуется с некоторыми данными, полученными ранее, и это несоответствие ученым еще предстоит объяснить. В образцах моложе трех миллиардов лет, наоборот, обнаружена отрицательная аномалия. Нерадиогенных изотопов неодима-144 и гафния-177 в их источнике было больше, чем в примитивной мантии, и это может означать, что уже в середине архея свой вклад в вулканизм стал вносить рециклинг древней коры. Сходную картину динамики изотопных соотношений Кемп и его коллеги получили и по гафнию для цирконов, извлеченных из кислых пород ТТГ-ассоциации. Значения 176Hf/177Hf в кристаллах возрастом 3,56–3,12 миллиарда лет оказались даже ближе к эталонному, которое характеризует примитивный, наименее измененный состав мантии. В цирконах из более молодых образцов появляется заметная отрицательная аномалия, значит, и в процесс образования кислых магм в это время включились продукты вторичного плавления старой коры. Авторы исследования отмечают, что близкие к эталону величины изотопных сигнатур были определены и для других раннеархейских гранит-зеленокаменных областей, построенных также по принципу чередования купольных и килевых участков. Например, они присущи основаниям кратонов Капвааль в Южной Африке и Итсак в Гренландии, где из купольно-килевых структур сформировались большие объемы континентальной коры. Исследователи предположили, что полученные результаты обусловлены особенностями тектонического режима, господствовавшего в первой половине архея. По-видимому, он связан с несколькими эпизодами апвеллинга, в ходе которых из глубины к основанию растущего кратона поступало вещество примитивной или слегка обедненной мантии. Поднимаясь, оно частично расплавлялось и дифференцировалось, образуя магматические очаги разного состава, в том числе и кислого. Примерно три миллиарда лет назад, когда появились сравнительно устойчивые зоны субдукции, в мантию стали внедряться обогащенные литофильными элементами коровые породы, и их влияние на состав магмы отразилось в изотопных записях. Ранее N + 1 неоднократно рассказывал об исследованиях тектоники древней Земли. Мы сообщали о том, что в сценарии формирования суперконтинента Нуна геологи отвели тектонике плит далеко не главную роль, и о том, что первые континенты могли появиться в результате метеоритных ударов. А еще мы рассказывали, как в архее из-за высокой температуры мантии Земля покрылась глобальным океаном.
