Тектоническое напряжение на разломе Сан-Андреас достигло пика за последние 1000 лет

Южная Калифорния находится в состоянии длительного сейсмического затишья. С момента последнего крупного землетрясения на южном участке разлома Сан-Андреас в 1857 году тектонические плиты непрерывно смещались относительно друг друга со скоростью от 30 до 45 миллиметров в год. На глубине это движение заблокировано силой трения, из-за чего в породах земной коры накапливается упругая деформация. Этот процесс неизбежно завершится резким смещением пластов.

Ключевым географическим участком, который определит масштаб и разрушительную силу будущего землетрясения, геофизики называют перевал Кахон. Это сложная зона сопряжения, где сходятся две крупнейшие активные разломные системы региона: Сан-Андреас и Сан-Хасинто. Исследование группы ученых из Швейцарии и США, опубликованное в научном журнале JGR Solid Earth, раскрывает физический механизм взаимодействия этих разломов и оценивает степень их текущей опасности на основе компьютерного моделирования за последние 1000 лет.

Географическое значение и инфраструктурная уязвимость перевала Кахон

Перевал Кахон расположен в горном проходе между хребтами Сан-Бернардино и Сан-Габриэль. Помимо исключительно важного геологического значения, этот участок является критическим инфраструктурным коридором Южной Калифорнии. Через перевал проходят межштатная автомагистраль I-15, крупные железнодорожные пути компаний BNSF и Union Pacific, линии электропередачи высокого напряжения, транзитные газопроводы высокого давления и водоводы, снабжающие питьевой водой Лос-Анджелес и прилегающие округа.

Смещение земной поверхности в этой зоне способно мгновенно перекрыть основные транспортные и ресурсные артерии, связывающие мегаполис с остальной частью страны. Сейсмическая прочность перевала напрямую зависит от того, как именно разрываются сходящиеся здесь разломы — изолированно или совместно.

Разлом Сан-Андреас в этой области смещается со скоростью около 32-34 миллиметров в год, принимая на себя основной тектонический напор на стыке Тихоокеанской и Северо-Американской плит. Параллельный ему разлом Сан-Хасинто смещается медленнее — со скоростью около 13-14 миллиметров в год, но при этом отличается высокой частотой умеренных и сильных землетрясений. В точке сближения у перевала Кахон физические процессы в одном разломе начинают напрямую влиять на состояние другого.

Научная концепция «сейсмических ворот»

В геофизике для описания таких зон сопряжения используют термин «сейсмические ворота». Под этим понятием ученые подразумевают сложный тектонический узел, который в зависимости от распределения напряжений в земной коре может работать в двух режимах:

1. Режим блокирования (закрытые ворота): разрыв коры, начавшийся на одном из разломов, при достижении зоны сопряжения затухает. Энергия деформации рассеивается, и соседний разлом остается стабильным. Землетрясение ограничивается пределами одной системы.
2. Режим пропускания (открытые ворота): разрыв свободно преодолевает зону сопряжения, переходит на соседний разлом и вызывает его мгновенную подвижку. В результате два независимых разлома объединяются в единую зону разрыва, что приводит к возникновению землетрясения гораздо большей мощности.

Исторические данные подтверждают реальность обоих сценариев. В 1812 году землетрясение Райтвуд магнитудой около 7.5 началось на разломе Сан-Хасинто, прошло через перевал Кахон и вызвало крупный разрыв на сегменте Мохаве разлома Сан-Андреас. Это был классический пример сквозного комбинированного разрыва.

Напротив, в 1857 году произошло землетрясение Форт-Техон магнитудой 7.9. Разрыв начался далеко на севере, преодолел более 330 километров вдоль Сан-Андреаса, но полностью остановился при достижении перевала Кахон. В тот раз разлом Сан-Хасинто не был вовлечен в процесс, и перевал сработал как барьер.

Физика накопления и сброса напряжений

Чтобы объяснить, почему в одних случаях разрывы блокируются, а в других беспрепятственно проходят через перевал, ученые обратились к расчетам изменений кулоновского напряжения (T_c). Этот параметр определяет, насколько состояние плоскости разлома близко к моменту сдвига. Физический смысл величины выражается простым соотношением:

Кулоновское напряжение = Сдвиговое напряжение — (Коэффициент трения * Сжимающее напряжение)

Где:

• Сдвиговое напряжение действует параллельно разлому и пытается сдвинуть блоки пород относительно друг друга. Оно непрерывно растет по мере тектонического движения плит.
• Сжимающее (нормальное) напряжение действует перпендикулярно разлому, прижимая блоки пород друг к другу и препятствуя их проскальзыванию.
• Коэффициент трения отражает шероховатость и сопротивление горных пород на глубине (в расчетах исследователей он принят равным 0.6).

Когда растущее сдвиговое напряжение преодолевает силу трения и нормальное давление, удерживающее блоки пород, происходит мгновенный сдвиг — землетрясение. Рост кулоновского напряжения приближает породы к разрушению, а его падение стабилизирует разлом.

Каждое землетрясение на одном из сегментов полностью сбрасывает сдвиговое напряжение непосредственно в зоне разрыва. Однако закон сохранения энергии требует, чтобы эта высвобожденная упругая энергия перераспределилась. Она переносится на соседние сегменты, резко увеличивая нагрузку на них. Этот процесс называют индуцированным изменением напряжений.

Методология 1000-летнего компьютерного моделирования

Для анализа долгосрочной динамики переноса напряжений геофизики создали упруговязкую пространственную модель земной коры. Верхняя часть коры до глубины 15-21 километра (сейсмогенный слой) моделировалась как упругое тело, способное накапливать деформации и мгновенно раскалываться. Более глубокие слои литосферы описывались как вязкоупругая среда. Эти глубокие породы под действием постоянного давления медленно деформируются и постепенно передают накопившееся напряжение обратно в верхнюю хрупкую кору — этот процесс известен как вязкоупругая релаксация.

Модель охватывает период в 1000 лет и учитывает параметры 36 крупных исторических землетрясений с магнитудой более 6.4. Исследователи последовательно рассчитывали изменения кулоновских напряжений на трех ключевых сегментах разломов, непосредственно примыкающих к перевалу Кахон:

1. Мохаве Юг (MOS) — южное окончание сегмента Мохаве разлома Сан-Андреас.
2. Северный Сан-Бернардино (NSB1) — сегмент разлома Сан-Андреас непосредственно в зоне перевала.
3. Сан-Хасинто Бернардино (SJB) — северное окончание разлома Сан-Хасинто.

Поскольку точные даты древних землетрясений, полученные методом радиоуглеродного анализа древесного угля в палеосейсмологических шурфах, имеют погрешность в несколько десятилетий, авторы проверили результаты на двух различных хронологических моделях. Первая модель распределяла события максимально равномерно во времени. Вторая объединяла землетрясения в плотные временные группы. Оба варианта расчетов показали схожие результаты в оценке переноса напряжений, что подтверждает физическую надежность полученных выводов.

Механизм работы «сейсмических ворот»

Компьютерное моделирование показало, что проницаемость зоны перевала Кахон контролируется разницей в уровне кулоновских напряжений (стресс-диспаритетом) между смежными сегментами MOS и SJB.

Если один из сегментов сильно напряжен и близок к пределу прочности, а второй недавно разрядился и имеет низкий уровень напряжений, пришедший извне разрыв неизбежно остановится на границе разряженного участка. Недонапряженные породы поглотят сейсмическую энергию, предотвращая дальнейшее разрушение. В этом случае барьер закрыт.

Однако если в течение длительного времени на обоих сегментах происходит синхронное накопление упругой деформации, разница кулоновских напряжений между ними падает до критически низкого уровня (менее 0.2 МПа). В этой ситуации оба сегмента оказываются одинаково близки к пределу прочности. Любой разрыв, зародившийся на разломе Сан-Хасинто или Сан-Андреас, мгновенно преодолевает узел сопряжения и вовлекает в процесс соседний сегмент. Ограничивающий барьер исчезает, и «ворота» открываются для масштабной катастрофы.

Текущее состояние и оценка опасности

Согласно результатам моделирования, в настоящее время тектонический узел перевала Кахон находится в предельно напряженном состоянии. Длительный период сейсмического затишья привел к тому, что кулоновские напряжения на ключевых сегментах достигли критических величин:

• Сегмент Мохаве Юг (MOS): расчетное кулоновское напряжение достигло 2.8 МПа. Это максимальное значение за всю модельную историю сегмента за последние 1000 лет. Предыдущие крупные разрывы на этом участке происходили при существенно более низких уровнях накопленного напряжения.
• Сегмент Сан-Хасинто Бернардино (SJB): напряжение выросло до 3.6 МПа. Этот показатель значительно превышает средний исторический диапазон прочности горных пород перед разрушением, который для этого сегмента составляет от 1.2 до 2.9 МПа.
• Разница напряжений между сегментами: различие в уровне напряжений между смежными участками Сан-Андреаса и Сан-Хасинто сократилось до минимума. Оба разлома одновременно подошли к критическому порогу прочности.

С точки зрения физики деформаций это означает, что «сейсмические ворота» перевала Кахон в данный момент открыты. Условия для остановки или гашения разрыва отсутствуют. Любое землетрясение магнитудой выше 6.0, которое начнется на южном участке разлома Сан-Андреас или северном участке разлома Сан-Хасинто, с высокой долей вероятности перерастет в сквозной комбинированный разрыв обеих систем.

Практическое значение исследования

Долгое время сейсмическая опасность в Калифорнии оценивалась преимущественно на основе статистической повторяемости событий. Предполагалось, что если средний интервал между крупными землетрясениями на сегменте составляет 150 лет, то вероятность нового события возрастает по мере приближения к этому сроку. Однако земная кора устроена сложнее умозрительных статистических средних.

Работа ученых демонстрирует важность физического моделирования тектонических напряжений в реальном времени. Перенос кулоновских напряжений после каждого землетрясения постоянно перекраивает карту сейсмической угрозы, создавая локальные зоны экстремального давления или, наоборот, временной стабильности.

Оценка текущего состояния перевала Кахон показывает, что данный регион требует повышенного внимания со стороны сейсмологов и инженеров. Полученные данные о неизбежности совместного разрыва разломов Сан-Андреас и Сан-Хасинто должны учитываться при проектировании и модернизации транспортной инфраструктуры, укреплении трубопроводов и разработке планов экстренного жизобеспечения многомиллионной агломерации Лос-Анджелеса в случае масштабного стихийного бедствия.

Источник: Journal of Geophysical Research: Solid Earth