Земная кора под Италией буквально расстегивается: геофизики раскрыли скрытую причину землетрясений на Апеннинах

Центральная Италия — один из самых сейсмически активных регионов Европы. Землетрясения здесь происходят с пугающей регулярностью, разрушая исторические города от Л'Акуилы до Аматриче. Однако с точки зрения классической теории тектоники плит геологическое поведение Апеннинского полуострова долгое время содержало в себе фундаментальное противоречие.

Горные хребты на Земле обычно формируются в результате прямого сближения крупных литосферных плит. Сжатие сминает горные породы в складки, кора утолщается, и поверхность поднимается. В Апеннинах этот порядок нарушен: в осевой части горного хребта земная кора не сжимается, а непрерывно разрывается и растягивается. При этом на восточном побережье, у Адриатического моря, синхронно фиксируется сжатие.

Более того, высокоточные спутниковые измерения показывают аномалию скоростей: расстояние между краями региона увеличивается медленнее, чем растягивается его горная сердцевина. Чтобы система сохраняла непрерывность, избыток внутреннего движения должен компенсироваться направленным навстречу сжатием внешнего края. Геологический массив деформируется под действием сил, источник которых находится внутри самой коры, а не передается от внешних материковых границ.

Группа исследователей под руководством профессора Стефано Тавани из Флорентийского университета опубликовала в журнале Communications Earth & Environment комплексный анализ данных, объясняющий этот механизм. Интеграция спутниковой геодезии, сейсмических данных и расчетов упругости показала: под Апеннинами происходит непрерывное расслоение земной коры, которое смещается с запада на восток и полностью определяет геометрию возникающих напряжений.

Три нестыковки в геологии Средиземноморья

Чтобы понять природу проблемы, необходимо сопоставить направления и скорости движения литосферных блоков в регионе.

Первое противоречие связано с направлением тектонических сил. В глобальном масштабе Африканская плита движется на северо-запад, медленно сближаясь с Евразией. Однако ось деформации Апеннинского хребта развернута поперек этого движения: сжатие на внешнем крае и растяжение внутри пояса происходят строго по линии юго-запад — северо-восток. Угол между движением плит и деформацией хребта близок к прямому. Следовательно, столкновение Африки и Европы не может быть причиной наблюдаемых смещений.

Второе противоречие касается истории Тирренского моря, расположенного к западу от Апеннин. В течение последних миллионов лет здесь действовал классический механизм: океаническая плита погружалась в мантию, а зона ее изгиба отступала на восток. Этот процесс растягивал тыловую область, истончая кору и формируя впадину Тирренского моря. Однако около двух миллионов лет назад раскрытие бассейна полностью завершилось. Образование глубоководной коры прекратилось, границы моря зафиксировались. По логике тектоники плит растяжение в хребте должно было остановиться. Этого не произошло: зона активных деформаций оторвалась от мертвого морского бассейна и продолжила движение на восток, локализовавшись непосредственно внутри горного пояса.

Третье противоречие заключается в абсолютных скоростях деформации. Спутниковые станции фиксируют устойчивый баланс:

• Расхождение между стабильным блоком Сардинии и Корсики на западе и береговой линией Адриатического моря на востоке составляет 2 миллиметра в год. Это общее расширение системы.
• При этом поперечное растяжение непосредственно в гребневой части Апеннин достигает 4 миллиметров в год.

Внутренняя часть территории растягивается в два раза быстрее, чем удаляются друг от друга внешние границы. Этот избыток скорости в 2 миллиметра в год в точности равен скорости встречного сжатия, которое приборы регистрируют на адриатическом шельфе. Горный пояс расширяется изнутри, одновременно сминая собственный восточный край.

Что зафиксировали спутники и сейсмические станции

Для описания этого явления ученые объединили данные двух взаимодополняющих спутниковых систем: спутниковой навигации (GNSS) и спутниковой радарной интерферометрии (InSAR).

Сети станций GNSS непрерывно фиксируют координаты контрольных точек на поверхности, позволяя рассчитать горизонтальные скорости с точностью до десятых долей миллиметра в год. Радары космической программы «Коперник» сканируют местность с орбиты, измеряя изменения высоты поверхности на площадях в сотни квадратных километров.

Карта скоростей показала четкую структуру. Западный край региона (побережье Тирренского моря) практически неподвижен относительно стабильной Евразии. По мере продвижения к центру хребта скорость движения грунта на северо-восток резко нарастает, достигая пика в 4 миллиметра в год. Это область активного растяжения земной коры. Затем, при переходе через линию максимальных высот в сторону Адриатического моря, скорость горизонтального движения начинает резко падать, уменьшаясь до 2 миллиметров в год. Данный спад скорости означает, что восточный край коры упирается в препятствие и испытывает интенсивное горизонтальное сдавливание.

Радарные профили вертикальных движений выявили параллельную закономерность:

1. Полоса активного растяжения совпадает с зоной быстрого локального поднятия горных массивов.
2. Восточнее этой полосы, перед зоной сжатия, земная поверхность, напротив, испытывает устойчивое прогибание и опускание.

Сейсмические каталоги за последние сорок лет подтверждают это разделение. В центральной части гор все очаги землетрясений на глубинах до 15 километров связаны с нормальными сбросами — разрывами, возникающими при растяжении коры, когда один блок породы соскальзывает вниз относительно другого. На восточном побережье и в акватории Адриатического моря фиксируются исключительно взбросы и надвиги — разрывы, возникающие в условиях сжатия, когда породы вдавливаются друг под друга.

Строение недр: двойная граница Мохо

Причину поверхностных деформаций выявило глубинное сейсмическое зондирование. Сейсмические волны распространяются с разной скоростью в слоях разной плотности и состава. Граница между базальной частью земной коры и подстилающей ее ультраосновной мантией называется поверхностью Мохоровичича (или границей Мохо).

Под Апеннинами граница Мохо имеет аномальную, ступенчатую структуру. Данные преломленных и отраженных волн показали, что здесь присутствуют две разные поверхности раздела, налегающие друг на друга:

• С запада на восток протягивается мелкая граница Мохо Тирренского бассейна, глубина которой составляет около 20-25 километров.
• Под нее полого уходит восточная, Адриатическая граница Мохо, залегающая на глубинах от 35 до более чем 50 километров.

Зона их взаимного перекрытия превышает 500 километров в длину, вытягиваясь вдоль всей центральной и северной части Апеннинского полуострова.

Эта зона маркирует процесс внутрикоровой деламинации (расслоения). Литосферная плита состоит из трех основных механических слоев: легкой верхней коры, более пластичной нижней коры и плотной литосферной мантии. Под Апеннинами нижняя часть адриатической плиты оторвалась от верхнего слоя. Тяжелая литосферная мантия вместе с прилегающей к ней нижней корой отделяется и погружается в глубь Земли, в горячую и менее вязкую астеносферу.

Верхняя кора, обладающая меньшей плотностью и высокой плавучестью, не может погрузиться в плотную мантию. Она отделяется по пологой горизонтальной плоскости срыва и остается на поверхности. Линия, вдоль которой происходит этот отрыв, авторы исследования называют шарниром деламинации.

Поскольку погружающийся край плиты продолжает непрерывно оттягиваться на восток, шарнир расслоения не стоит на одном месте. Он последовательно перемещается в сторону Адриатики, постепенно отделяя нижнюю часть плиты от верхней на новых и новых участках.

Физика процесса: потеря жесткости и упругий изгиб

Чтобы объяснить, каким образом расслоение коры создает наблюдаемую картину скоростей, исследователи применили математическую модель упругого изгиба литосферы. Литосферную плиту можно рассматривать как упругий твердый слой, лежащий на жидком основании мантии.

Ключевым параметром такого слоя является изгибная жесткость — его способность сопротивляться вертикальным нагрузкам и распределять изгиб на расстояние. Из механики сплошных сред известно фундаментальное правило: изгибная жесткость упругого слоя пропорциональна третьей степени его толщины.

Если толщина слоя уменьшается в два раза, его жесткость падает не вдвое, а в восемь раз. Если эффективная толщина уменьшается в пять раз, сопротивление изгибу уменьшается в сто двадцать пять раз.

Именно этот скачок жесткости происходит на шарнире отслоения:

1. К востоку от шарнира (интактная плита). Здесь адриатическая плита сохраняет свою исходную монолитность. Ее эффективная упругая толщина максимальна, а изгибная жесткость чрезвычайно высока. Тонущий край плиты тянет ее вниз, создавая изгибающий момент. Благодаря высокой жесткости плита плавно распределяет это напряжение на огромное расстояние. На поверхности формируется широкий, пологий изгиб — внешний компенсационный вал, вершина которого удалена от зоны деформации на 150 километров. Сжатие в верхней части этой зоны реализуется через смещение пластов осадочных пород, формируя надвиги на восточном побережье.
2. К западу от шарнира (расслоенная плита). Здесь плита потеряла свой фундамент — нижнюю кору и мантийный корень. От нее осталась только верхняя кора. Геодезические измерения показали, что эффективная упругая толщина этого участка снизилась в 5-15 раз по сравнению с ненарушенной плитой. Изгибная жесткость уменьшилась в сотни раз.

Потеря жесткости приводит к двум прямым физическим последствиям:

• Резкое сокращение длины волны изгиба. Тонкий остаточный слой коры не способен передавать изгибающие усилия далеко. Компенсационный изгиб не распространяется вдаль, а концентрируется на узком пространстве, прямо над зоной отслоения. Расстояние от точки перегиба до вершины поднятия сокращается со 150 до 20-50 километров.
• Изостатическое всплытие. Плотный и тяжелый мантийный корень, тянувший кору вниз, оторвался. Образовавшееся пространство снизу заполнила горячая, менее плотная астеносфера. По закону гидростатического равновесия облегченный участок коры начинает выталкиваться вверх.

В результате над шарниром отслоения возникает крутой, узкий горный свод. Одновременно с этим тонущая часть плиты продолжает тянуть за край уцелевшей коры в точке шарнира, наклоняя плоскости разломов. Тонкая кора на гребне свода теряет боковую опору и начинает соскальзывать под собственным весом в сторону образовавшегося прогиба. На поверхности это выражается в раскрытии сотен разломов растяжения и быстром расширении горной цепи.

Внутренняя энергия отрывающегося и тонущего пласта нижней литосферы напрямую преобразуется в деформацию верхнего слоя: она одновременно вздымает горный рельеф, рвет осевую зону сбросами и сдавливает внешний край плиты.

Причина регулярных землетрясений

Разработанная механическая схема позволяет систематизировать сейсмическую опасность региона, объясняя, почему разные типы землетрясений жестко привязаны к конкретным географическим полосам.

Все разрушительные землетрясения центральной части Апеннинского хребта имеют очаги на глубине от 6 до 14 километров. Они происходят в результате внезапных подвижек по нормальным сбросам — плоскостям, наклоненным под углом от 40 до 60 градусов в сторону запада или востока. В момент землетрясения блок коры, лежащий выше плоскости разлома, резко соскальзывает вниз. Это прямое проявление растяжения коры, вызванного действием шарнира расслоения. Землетрясения такого типа происходили в Л'Акуиле (магнитуда 6.3, 2009 год), в Норче и Аматриче (магнитуды 6.0 и 6.5, 2016 год).

Напротив, землетрясения под дном Адриатического моря происходят вдоль пологих надвигов, направленных на северо-восток. Здесь блоки пород толщиной в несколько километров с силой насаживаются друг на друга. Сейсмическое событие магнитудой 5.5, зафиксированное у побережья города Анкона в ноябре 2022 года, стало прямым подтверждением активности этого встречного фронта сжатия.

Ранее часть исследователей предполагала, что землетрясения в Апеннинах могут быть вызваны полным отрывом погружающейся плиты на большой глубине (так называемым разрывом слэба). Если бы плита целиком оборвалась и рухнула в мантию, это вызвало бы радиальную волну деформации, расходящуюся во все стороны от точки разрыва, подобно кругам на воде.

Однако фактические данные спутников показывают строго прямолинейный, протяженный фронт деформации, ориентированный параллельно хребту на сотни километров. Никакой радиальной симметрии не наблюдается. Плита не оторвалась целиком: ее сплошность сохраняется, но она последовательно расщепляется вдоль своего верхнего горизонта.

Значение для наук о Земле

Исследование итальянских геофизиков меняет базовые представления о жизненном цикле складчатых поясов планеты.

Классическая модель эволюции горных систем предполагает прямую причинно-следственную связь: пока плиты сходятся или пока под континентом действует активный конвейер океанической субдукции, горы растут и испытывают подвижки. Как только океанический бассейн закрывается, а внешние тектонические плиты стабилизируются, динамика должна угасать. Считалось, что после этого деформации в горах могут быть связаны лишь с медленным гравитационным расползанием уже накопленной массы пород.

Апеннины доказывают существование принципиально иного сценария. Остановка внешних тектонических процессов — закрытие океана и прекращение растяжения морских впадин — не означает механической смерти горной системы.

Процесс может перейти на автономный внутрикоровый уровень. Если плотностной контраст между слоями литосферы достаточно велик, запущенная однажды деламинация способна поддерживать движение за счет внутренней потенциальной энергии. Отслаивающаяся нижняя кора продолжает тонуть, перемещая точку отрыва в пространстве и заставляя вышележащие слои растягиваться, подниматься и генерировать землетрясения на протяжении миллионов лет в условиях полного отсутствия внешнего сжатия.

Этот механизм не уникален для Средиземноморья. Следы аналогичного расслоения континентальной литосферы на завершающих стадиях столкновения материков геофизики фиксируют в Восточной Анатолии, в районе плато Колорадо в Северной Америке и на отдельных участках Тибетского нагорья. Разработанная модель изгиба разнородной по толщине плиты дает универсальный инструмент для описания тектоники таких регионов, позволяя прогнозировать зоны максимальных механических напряжений и оценивать сейсмическую опасность без привлечения гипотез о внешних тектонических воздействиях.

Источник: Communications Earth & Environment