Когда следующее землетрясение в Каскадии? Новый анализ открытых склонов уточнил график катастроф

Зона субдукции Каскадия, расположенная вдоль западного побережья Северной Америки, представляет собой один из наиболее опасных тектонических разломов на планете. Здесь океаническая плита Горда погружается под Северо-Американскую плиту. Этот процесс происходит скрыто, но неизбежно ведет к накоплению колоссального напряжения в земной коре. Разрядка этого напряжения происходит в виде мегаземлетрясений магнитудой выше 8,0. Последнее такое событие произошло в 1700 году, и ученые не сомневаются, что оно повторится. Вопрос лишь в том, когда это случится и какой силы будет удар.

Для ответа на этот вопрос, геологи реконструируют историю сейсмической активности региона за тысячи лет. Основным источником информации для них служат слои осадочных пород на дне океана. Новое исследование, результаты которого были опубликованы в журнале Science Advances, показало, что традиционные методы поиска этих следов могут давать искаженную картину. Группа ученых под руководством Дженны Хилл из Геологической службы США предложила новый подход, который позволяет считывать историю землетрясений с гораздо более высокой точностью, анализируя структуру дна непосредственно в зоне контакта тектонических плит.

Ограничения классического метода

Долгое время основным инструментом морской палеосейсмологии — науки о древних землетрясениях — было изучение подводных каньонов. Это гигантские ущелья, прорезающие континентальный шельф. Механизм образования геологической записи здесь простой: во время сильного землетрясения массы песка и ила срываются с края континента и в виде мощного потока (мутьевого, или турбидитного течения) устремляются вниз по каньону. Достигая ровного дна, этот поток замедляется, и взвесь оседает, формируя характерный слой — турбидит.

Считая количество таких слоев и определяя их возраст с помощью радиоуглеродного анализа, исследователи строят хронологию катастроф. Однако у этого подхода есть серьезные недостатки, снижающие достоверность прогнозов.

Во-первых, системы каньонов крайне чувствительны к внешним факторам, не связанным с тектоникой. Сход лавины грунта может спровоцировать не только подземный толчок, но и сильный шторм, воздействие внутренних волн в океане или просто избыточное накопление осадков, принесенных реками. Отличить «штормовой» слой от «сейсмического» бывает крайне сложно.

Во-вторых, существует проблема восстановления запаса материала. Чтобы в каньоне произошел крупный сход грунта, на его краях должно скопиться достаточное количество осадочных пород. Если между двумя мощными землетрясениями проходит недостаточно времени, каньон может не успеть «перезарядиться». В таком случае второе землетрясение, даже будучи разрушительным, не оставит следа в геологической летописи, и ученые его просто пропустят.

Альтернативный источник данных

Авторы нового исследования сместили фокус внимания с каньонов на так называемый деформационный фронт — самую нижнюю часть континентального склона, где происходит непосредственное взаимодействие двух плит. Исследователи предположили, что именно здесь, на открытых склонах аккреционной призмы (структуры, образованной соскобленными с океанической плиты осадками), формируется наиболее полная и чистая запись сейсмических событий.

Для проверки гипотезы была организована экспедиция в южную часть зоны Каскадия. Ученые использовали автономные необитаемые подводные аппараты (AUV), оснащенные многолучевыми эхолотами и профилографами. Это позволило составить карту рельефа дна с разрешением до одного метра и получить детальные акустические профили подповерхностных слоев. Также были отобраны керны — длинные колонки грунта, извлеченные с глубины около 3000 метров.

Механизм записи на деформационном фронте

Анализ полученных данных позволил установить закономерность, связывающую тектонику и осадконакопление. В исследуемой зоне механизм фиксации землетрясений работает иначе, чем в каньонах, и он практически не зависит от внешних климатических условий.

Процесс можно разделить на несколько этапов:

1. Тектоническое поднятие. Постоянное давление со стороны погружающейся океанической плиты приводит к деформации морского дна. Осадочные породы сминаются в складки (антиклинали), образуя протяженные гряды, идущие параллельно побережью.
2. Формирование критического угла. По мере сжатия эти складки растут в высоту, а их склоны становятся все более крутыми. Данные исследования показали, что существует критический порог крутизны — примерно 10 градусов. Как только склон преодолевает эту отметку, он переходит в нестабильное состояние.
3. Сейсмический срыв. В момент мегаземлетрясения происходит резкое ускорение грунта. Нестабильные слои на крутых склонах не выдерживают динамической нагрузки и обрушиваются.
4. Образование отложений. Оползневые массы скатываются на прилегающую абиссальную равнину (плоское дно океана), образуя слои турбидитов.

Главное преимущество этого механизма — его автономность. Материал для оползня не нужно приносить реками с суши; он поставляется самой тектоникой, которая постоянно поднимает и сминает породы дна. Это гарантирует, что каждое крупное событие будет зафиксировано, независимо от того, сколько времени прошло с предыдущего землетрясения.

Хронология катастроф

Изучение кернов подтвердило эффективность метода. В образцах грунта ученые обнаружили серию из 10 турбидитных слоев, сформировавшихся за последние 7500 лет. Радиоуглеродная датировка этих слоев показала высокую корреляцию с уже известными датами крупных разрывов вдоль всей зоны Каскадия.

Более того, детальный анализ структуры отложений позволил точно определить источник материала. Это были локальные оползни, сошедшие с близлежащих складок деформационного фронта, а не принесенные издалека потоки из каньонов. Отсутствие в этом районе крупных каньонов исключает возможность того, что слои образовались в результате штормов или речных паводков — на глубине 3 километров эти факторы не оказывают существенного влияния. Единственной силой, способной вызвать одновременное обрушение склонов на большой площади, является мощное землетрясение.

Проблема мелководного скольжения

Результаты исследования имеют прямое отношение к оценке опасности будущих цунами. В геофизике существует дискуссия о том, как именно происходит разрыв тектонического шва вблизи поверхности дна.

Ранее считалось, что в самой верхней части зоны субдукции, где породы мягкие и насыщены водой, движение происходит плавно (асейсмичное скольжение) и не вызывает резких толчков. Однако обнаружение следов массовых оползней непосредственно на деформационном фронте опровергает эту теорию для региона Каскадия.

Тот факт, что землетрясения вызывают обрушение склонов на самом стыке плит, свидетельствует о том, что разрыв доходит до поверхности дна с высокой интенсивностью. Это явление называется «мелководным косейсмическим скольжением». Именно такой тип разрыва наблюдался во время разрушительного землетрясения Тохоку в Японии в 2011 году.

Физика процесса здесь критична: если при землетрясении дно резко смещается на большой площади в зоне контакта с океаном, это приводит к вертикальному вытеснению огромных объемов воды. Такое смещение значительно увеличивает высоту образующейся волны цунами. Данные Дженны Хилл и ее коллег указывают на то, что для Каскадии характерен именно такой, наиболее опасный сценарий развития событий.

Значение для науки и безопасности

Работа, проведенная в южной части Каскадии, предлагает новый, более строгий стандарт для палеосейсмологических исследований. Ученые доказали, что открытые склоны аккреционной призмы являются надежными регистраторами сейсмической активности.

Этот метод позволяет:

• Исключить из анализа «шум», создаваемый климатическими факторами (штормами и наводнениями).
• Получить данные о землетрясениях даже в тех регионах, где отсутствуют развитые системы подводных каньонов.
• Точнее оценивать параметры разрыва в зоне деформационного фронта, что напрямую влияет на моделирование потенциальных цунами.

Понимание того, что внешняя часть зоны субдукции участвует в сейсмическом разрыве, заставляет пересмотреть карты рисков для прибрежных городов. Геологическая летопись, извлеченная со дна океана, свидетельствует о неизбежности повторения катастрофических сценариев, и точность этих данных становится ключевым фактором для подготовки инфраструктуры и систем оповещения.

Источник: Science Advances