Почему почти вся Япония сместилась на восток через 15 минут после землетрясения 2011 года: научное объяснение феномена

11 марта 2011 года в Тихом океане у северо-восточного побережья острова Хонсю произошло землетрясение Тохоку магнитудой 9,0. Оно стало сильнейшим в истории наблюдений Японии. Основной тектонический разрыв длиной около 500 километров вызвал смещение участков морского дна на десятки метров и породил разрушительное цунами. В результате упругой отдачи восточное побережье Хонсю сдвинулось на восток более чем на четыре метра.

Через 15 минут после начала главного толчка, когда основные поверхностные колебания уже утихли, измерительные приборы по всей стране зарегистрировали еще одно сейсмическое событие. Практически вся территория Японии — от северного острова Хоккайдо до южного Кюсю — одновременно сместилась к востоку на пять миллиметров.

Этот феномен, охвативший площадь протяженностью более трех тысяч километров, долгое время оставался необъясненным. Он произошел без фиксации сопутствующих поверхностных толчков и далеко за пределами зоны основного разлома. В ходе недавнего исследования группа геофизиков под руководством доктора Сунён Пак из Чикагского университета установила точную физическую причину этого явления: триггером смещения послужили объемные сейсмические волны, отразившиеся от границы ядра и мантии Земли.

Анализ данных GEONET: обнаружение аномалии

Япония обладает самой плотной в мире системой непрерывного мониторинга деформаций земной коры — сетью GEONET (GPS Earth Observation Network System), которой управляет Институт географии Японии (GSI). Сеть включает более 1200 постоянно действующих станций спутникового позиционирования, распределенных по всей стране с шагом около 20 километров.

При анализе высокочастотных временных рядов GPS-координат, записанных во время землетрясения 2011 года, группа доктора Пак применила современные методы фильтрации высокочастотных шумов. В результате обработки данных геофизики обнаружили четкий синхронный шаг на графиках смещения станций. Ровно через 15 минут после начала главного сейсмического импульса все станции GEONET зафиксировали одномоментный сдвиг суши в восточном направлении на 5 миллиметров.

Синхронность фиксации этого смещения на столь обширной площади исключала влияние локальных факторов: оползней, разжижения грунтов или прохождения поверхностных сейсмических волн (волн Рэлея и Лява), которые распространяются горизонтально с конечной скоростью и вызывают постепенное, а не одновременное смещение датчиков. Сила, вызвавшая сдвиг, пришла снизу, вертикально воздействуя на всю литосферу региона.

Физика прохождения волн ScS сквозь мантию к границе ядра

При резком смещении блоков земной коры в очаге землетрясения генерируются объемные сейсмические волны — продольные (P-волны) и поперечные (S-волны). Поперечные волны вызывают смещение частиц породы перпендикулярно направлению своего распространения и могут перемещаться только в твердой среде, так как жидкости не обладают упругостью сдвига.

В момент землетрясения Тохоку мощный поток поперечных волн устремился вертикально вниз сквозь мантию Земли. Спустя несколько минут эти волны достигли границы между силикатной мантией и жидким металлическим внешним ядром, которая пролегает на глубине около 2900 километров.

Из-за жидкого состояния внешнего ядра поперечные сейсмические волны не смогли проникнуть внутрь него. На границе раздела сред произошло практически полное отражение упругой энергии. Отраженные поперечные колебания, которые в сейсмологии классифицируются как волны ScS, устремились обратно к поверхности планеты.

Расчеты показывают, что средняя скорость поперечных волн в мантии составляет около 6-7 км/с. Путь от очага землетрясения до границы ядра и обратно к земной коре (всего около 5800 километров) волна ScS преодолела ровно за 15 минут.

Обычно при прохождении столь протяженного пути упругая энергия волн ScS рассеивается из-за неупругого затухания в мантии. Однако магнитуда землетрясения Тохоку была настолько велика, что даже после преодоления 5800 километров вернувшаяся к поверхности волна ScS сохранила плотность потока энергии, достаточную для совершения механической работы в масштабах литосферных плит.

Механизм динамического триггеринга и ослабления трения

Чтобы объяснить, как относительно слабая отраженная волна смогла сместить тектонические плиты целого региона, ученые обратились к законам механики грунтов и физики трения.

Японский архипелаг находится в зоне субдукции — здесь Тихоокеанская плита погружается под Северо-Американскую (в пределах которой расположена северная часть Хонсю). В нормальных условиях граница контакта между плитами заблокирована силами сцепления и статического трения. Плиты находятся в состоянии зацепления, накапливая упругую деформацию под действием тектонических сил.

Во время прохождения мощных поверхностных сейсмических волн от основного толчка Тохоку пограничные зоны плит подверглись экстремальным циклическим нагрузкам. Это вызвало процесс динамического разупрочнения. Под воздействием интенсивных вибраций поровое давление флюидов в зоне разлома резко возросло, что снизило эффективное нормальное напряжение, прижимающее плиты друг к другу. Сила трения на границе контакта плит упала до критически низкого уровня. Тектонический шов перешел в состояние метастабильного равновесия — он был готов к скольжению при минимальном внешнем воздействии.

Когда через 15 минут отраженная волна ScS достигла подошвы литосферы, она вызвала кратковременное изменение напряженного состояния в зоне контакта плит. Этого слабого импульса оказалось достаточно, чтобы преодолеть сниженное трение. Произошел мгновенный срыв и кратковременное проскальзывание плит по направлению субдукции, что привело к необратимому смещению архипелага на 5 миллиметров к востоку.

Научные ограничения и белые пятна исследования

Несмотря на высокую точность данных сети GEONET, исследование имеет определенные ограничения, которые авторы открыто признают.

Главная неопределенность связана с отсутствием детальных данных о поведении морского дна к востоку от побережья Японии в момент прихода волны ScS. В 2011 году системы подводного GNSS-акустического мониторинга (GNSS-A) были развиты слабо и не имели достаточной плотности покрытия. Из-за этого ученые не могут точно установить, как далеко в океан распространилась зона синхронного сдвига и как именно деформировалась непосредственно зона контакта плит на глубине.

Кроме того, математические модели затухания сейсмических волн в мантии под Японией все еще содержат погрешности, связанные со сложным температурным и химическим профилем мантийного клина в зоне субдукции. Это затрудняет точный расчет энергии волны ScS в момент ее возвращения к поверхности.

Значение для глобального мониторинга сейсмической опасности

Работа группы Сунён Пак меняет устоявшиеся представления о механизмах передачи тектонического напряжения. Традиционные модели оценки сейсмической опасности фокусируются на статическом перераспределении напряжений, которое затухает обратно пропорционально кубу расстояния от разлома и затрагивает только близлежащие сегменты.

Феномен синхронного сдвига в Японии доказывает эффективность динамического триггеринга посредством глубинных объемных волн. Отраженные от ядра волны могут выступать в роли глобальных проводников энергии, способных активировать удаленные метастабильные разломы в других частях планеты.

Полученные выводы требуют пересмотра моделей сейсмической уязвимости для таких сложных регионов, как:

• Разлом Сан-Андреас в Калифорнии: высокоактивная система сдвиговых разломов, находящаяся под постоянным тектоническим давлением;
• Альпийский разлом в Новой Зеландии: зона столкновения Тихоокеанской и Индо-Австралийской плит с высокой вероятностью мегаземлетрясения в ближайшие десятилетия;
• Зона субдукции Каскадия: гигантский тектонический шов у северо-западного побережья Северной Америки, способный генерировать землетрясения магнитудой более 9,0.

Включение механизмов глубокого сейсмического эха в прогнозные модели позволит сейсмологам точнее оценивать вероятность каскадных землетрясений, когда сильный толчок в одном полушарии может спровоцировать подвижки грунта в другом за счет транзита упругой энергии через границу ядра Земли.

Источник: Science