В зонах субдукции (на границе столкновения литосферных плит) происходят сильнейшие землетрясения на Земле, однако места зарождения этих землетрясений скрыты от непосредственного наблюдения. Детальная структура зон остается малоизученной, из-за чего до сих пор не удавалось построить надежную прогностическую модель зарождения крупных землетрясений, и в итоге их краткосрочный прогноз невозможен. Однако в свете новых исследований не исключено, что будут построены куда более удачные предсказательные модели.
В настоящее время основные представления о структуре зон зарождения землетрясений получены при геологическом изучении активных в прошлом участков зон субдукции, которые были подняты на дневную поверхность. Установлено, что при землетрясениях деформации локализуются на разломах метровой толщины. Для изучения строения зон субдукции в реальном времени применяются преимущественно сейсмологические методы, которые имеют очень низкое пространственное разрешение. По сейсмическим данным, зоны, в которых зарождаются землетрясения, могут иметь ширину до нескольких километров. Таким образом, остается неизвестным, каковы в реальном времени особенности локализации деформаций в системе разломов метрового масштаба.
Группа ученых из Технологического института Карлсруэ в Германии провела интересные исследования сейсмического процесса, сопровождавшего землетрясение 27 марта 2022 года с магнитудой 5,8, которое произошло в зоне субдукции в Эквадоре. Ученым удалось детектировать разломы метровой ширины в зоне зарождения главного толчка, а также показать, как взаимодействие данных разломов влияет на афтерслип — распространяющиеся после главного толчка сдвиговые деформации. Используя высокоточный каталог, включающий данные по более чем 1500 землетрясений, была получена исключительно детализированная картина локализации сейсмичности. Ученые показали, что землетрясения после главного толчка могут распространяться как вдоль одной плоскости, так и одновременно вдоль нескольких субпараллельных (почти параллельных) плоскостей метровой толщины. Как мы знаем, в природе нет идеальных параллельных линий. Субпараллельные структуры — это структуры, которые будут параллельны на большом масштабе и ориентированы в одном направлении, но при рассмотрении на малых масштабах ориентация структур может значительно отклоняться.
Выявленная сложная геометрия сейсмичности влияет на сам процесс постсейсмического скольжения. Значит, структура зоны субдукции, содержащая множество разломов метровой толщины, контролирует деформационные процессы на границе литосферных плит. Результаты исследования опубликованы в журнале «Nature».
Редакция журнала «За науку» попросила Алексея Остапчука, доцента кафедры теоретической и экспериментальной физики геосистем МФТИ, прокомментировать эту работу:
Основная загвоздка современного этапа развития физики землетрясений состоит в том, что ученые до конца не понимают саму механику процесса, не знают структурных особенностей зоны формирования землетрясений, не имеют надежных признаков начала активизации этих зон. То есть мы пока не владеем полной картиной процесса их зарождения и развития.
Зона субдукции, где формируются наиболее сильные землетрясения, является границей столкновения литосферных плит и имеет очень сложную структуру. О таких зонах и говорится в статье. Детальная геологическая структура может быть исследована на основе глубинного бурения, однако достичь сейсмогенных глубин 10–20 км с использованием данной технологии в настоящее время не предоставляется возможным. Поэтому геологи исследуют только те участки, которые за долгие миллионы лет были подняты с сейсмогенных глубин на земную поверхность. Таким путем можно понять, какова могла быть структура зоны формирования прошлый землетрясений, — но вот выявить процессы, происходящие на сейсмогенных глубинах прямо сейчас, в реальном времени, можно только сейсмологическими методами. Однако у них до недавнего прошлого было очень низкое пространственное разрешение. Если геологи вживую видят объект, например, размером 10 метров, то по сейсмологическим данным его размер может составлять 200–300 метров, то есть формально с ошибкой в 20 раз. Но по сути, это аналогично тому, чтобы размер пылинки измерять миллиметровой линейкой.
В данной работе ученые исследовали особенности афтершокового процесса после эквадорского землетрясения 27 марта 2022 года, которое произошло на глубине 19 км и имело высокую продуктивность, вызвав целую серию повторных толчков. В период с 12 марта по 26 мая 2022 года было обнаружено более 1500 событий, основанную долю которых составляют афтершоки. Они были локализованы преимущественно на глубинах от 16 до 23 км в полосе шириной 20 км, и зона локализации как раз соответствует границе литосферных плит. Авторы работы использовали трехмерную скоростную модель зоны субдукции и применяли различные комбинации алгоритмов машинного обучения для уточнения местоположения источника — и смогли достигнуть беспрецедентно высокой точности локации землетрясений.
В этой работе нам рассказали, как можно добиться качественно нового понимания физики процессов, протекающих в зонах формирования крупных землетрясений, с учетом использования самых современных алгоритмов анализа данных. В ходе работы ученые добились настолько высокой разрешающей способности, что стало возможным определить особенности сейсмогенной структуры на метровом масштабе и соотнести полученные результаты с геологическими структурами, видимыми на земной поверхности. Также очень интересно, что благодаря высокой точности локализации сейсмичности авторы показали, что на афтершоковый процесс влияет структура сети разломов зоны субдукции.
И здесь возникает вопрос, каковы особенности процесса, который контролирует инициирование роя более слабых землетрясений — афтершоков? В настоящее время для описания этой последовательности используется модель эпидемического типа (ETAS-модель), в которой отсутствуют какие-либо представления о физике процесса, инициирующего афтершоки. В статье авторы показали, что само инициирование происходит вследствие постсейсмического скольжения (афтерслипа), локализованного на границе литосферных плит. При этом оказалось, что на закономерности скольжения сильное влияние оказывает структура границы. Авторы построили концептуальную модель границы литосферных плит, содержащую сеть взаимодействующих разломов, на которых локализуется скольжение. Землетрясения при этом инициируются преимущественно в узких зонах разломов.
Сводная структурная модель зоны субдукции, выявленная на основе анализа сейсмичности
Афтершоки возникают вокруг разрыва главного толчка и распространяются вдоль границы раздела плит, отражая вероятное влияние строения границы на постсейсмическое скольжение. Афтершоки на границе плит локализуются вдоль сети субпараллельных взаимодействующих разломов метровой толщины.
Исследование продвигает нас в понимании деформационных процессов в зонах зарождения крупных землетрясений и сценариях их развития. Это может помочь ученым создать более реалистичные модели зарождения землетрясений, которые могут быть использованы для прогноза и оценки сейсмической опасности.
Несомненно, применение современных методов анализа данных для решения задач механики разломных зон позволяет получать качественно новые результаты. Но учитывая, что очаги крупных землетрясений обычно расположены в окрестностях тектонических разломов, которые имеют сложную, пространственно-неоднородную структуру, важным является увязывание сейсмических данных и геологической информации о зонах формирования. Прогностические модели их формирования должны позволять выявлять динамически нестабильные участки разломов и отслеживать эволюцию. При этом отдельные составляющие модели могут включать неявные решения, получаемые на основе алгоритмов машинного обучения. В России разработка таких моделей выполняется в рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом.
