Глубинные землетрясения долго считались менее опасными, чем поверхностные, из-за экстремального давления и температуры в недрах Земли. Однако событие на севере Чили в июле 2024 года заставило ученых пересмотреть устоявшиеся представления о том, как именно развиваются такие разрывы. Землетрясение показало, что даже на больших глубинах возможны быстрые и энергоёмкие процессы. Об этом сообщает журнал Nature Communications.
19 июля 2024 года недалеко от города Калама на севере Чили произошло землетрясение магнитудой 7,4. Колебания ощущались на поверхности, были зафиксированы повреждения зданий и перебои с электроснабжением. Для Чили, расположенной вдоль активной зоны субдукции, землетрясения — привычное явление, но это событие выделялось своим механизмом.
Разрыв начался не у поверхности и не на границе тектонических плит, а глубоко внутри погружающейся плиты Наска, примерно на глубине 125 километров. Обычно такие очаги вызывают более слабые колебания на поверхности, но в этот раз сценарий оказался иным.
Чили находится в зоне, где океаническая плита Наска уходит под Южноамериканскую плиту. Это движение создает постоянное напряжение в земной коре и мантии, что приводит к частым землетрясениям. Самым известным примером остается катастрофа 1960 года в центральной части страны с магнитудой 9,5 — самой высокой за всю историю инструментальных наблюдений.
Большинство разрушительных землетрясений здесь формируются на сравнительно небольших глубинах, вблизи границы плит. Событие у Каламы произошло значительно глубже, в зоне, где породы обычно ведут себя более пластично, а долгосрочные деформации фиксируются современными методами мониторинга земной поверхности.
Землетрясения на глубинах от 70 до 300 километров относят к промежуточным. В таких условиях высокая температура и давление, как правило, препятствуют резкому разрушению пород. Долгое время основной причиной подобных событий считался процесс обезвоживания минералов.
Когда холодная океаническая плита погружается в мантию, минералы вроде серпантина удерживают воду в своей кристаллической структуре. При росте температуры и давления вода высвобождается, повышает поровое давление и ослабляет связи в породе, что может привести к внезапному разрыву.
Лабораторные эксперименты показывают, что этот механизм эффективно работает при температурах ниже примерно 650 градусов Цельсия. Выше этого порога породы становятся более "мягкими" и устойчивыми к хрупкому разрушению, поэтому считалось, что разрыв не может распространяться дальше.
Анализ сейсмических данных показал, что разрыв при землетрясении Калама ушёл примерно на 50 километров глубже ожидаемого и проник в зоны с температурой выше 650 градусов. Это стало возможным благодаря другому механизму — тепловому бегству.
Во время разрыва интенсивное трение вдоль плоскости разлома генерирует большое количество тепла. Оно дополнительно ослабляет породу и ускоряет скольжение, создавая замкнутый цикл: чем быстрее движение, тем больше тепла, и тем легче породе продолжать разрушаться.
"Эти чилийские события вызывают более сильные колебания, чем обычно ожидается от землетрясений средней глубины, и могут быть довольно разрушительными", — отметил доцент-исследователь Школы геонаук UT Jackson Чжэ Цзя.
"Это первый случай, когда мы наблюдаем, как разрыв землетрясения средней глубины выходит из холодной зоны в действительно горячую и движется с гораздо большей скоростью".
Сейсмические записи показали, что землетрясение развивалось не как единый процесс. Разрыв происходил серией последовательных субсобытий. Первые из них начались в более холодной части плиты на глубине около 125 километров и сопровождались множеством афтершоков.
Поздние сегменты достигли глубин порядка 170 километров, где температуры значительно выше. Именно они высвободили основную часть энергии, но дали меньше последующих толчков. Такая картина хорошо согласуется с идеей теплового бегства: сильный нагрев снимает напряжение, которое в иных условиях проявилось бы афтершоками.
Средняя скорость распространения разрыва достигала около 4,2 километра в секунду, что близко к скорости сдвиговых волн и считается редкостью для землетрясений этой категории.
Ученые использовали тепловые модели зоны субдукции в Чили, чтобы оценить условия на разных глубинах. Расчеты показали, что холодное "ядро" погружающейся плиты сравнительно тонкое. Длина разрыва оказалась больше его толщины, поэтому процесс неизбежно вышел в более горячие области, где свойства вещества приближаются к тем, что обсуждаются в работах о строении внутреннего ядра Земли.
Минералы вроде хлорита и талька тоже могут выделять воду, но они встречаются реже и работают при других температурных условиях. В горячих зонах одного обезвоживания уже недостаточно, чтобы объяснить продолжение разрыва, и именно тепловое бегство стало ключевым фактором.
"Осознание того, что в Чили возможно ещё одно крупное землетрясение, стимулировало активные исследования и развертывание сейсмометров и геодезических станций для мониторинга деформаций коры", — подчеркнул профессор Торстен У. Беккер.
Событие у Каламы показало, что глубокие землетрясения способны затрагивать области, ранее считавшиеся слишком горячими для разрыва. Это означает, что потенциальный размер таких землетрясений и сила колебаний могут быть выше, чем предполагали прежние модели.
Учет совместного действия обезвоживания и теплового бегства важен для оценки сейсмической опасности, проектирования инфраструктуры и планирования мер на случай чрезвычайных ситуаций.
Поверхностные землетрясения обычно происходят на границах плит и чаще вызывают разрушения из-за близости к поверхности. Глубинные события традиционно считались менее опасными, так как энергия частично рассеивается по пути вверх. Калама показала, что при определённых условиях глубинные разрывы могут быть не менее интенсивными и сопровождаться неожиданно сильной тряской.
Новые данные расширяют понимание процессов в недрах Земли и помогают точнее оценивать риски. Они дают возможность улучшить прогнозы и повысить устойчивость инфраструктуры.
В то же время пересмотр моделей означает, что некоторые регионы могут оказаться более уязвимыми, чем считалось ранее, а это усложняет задачи долгосрочного планирования.
Анализировать не только глубину очага, но и тепловые условия в зоне разрыва.
Учитывать возможное сочетание разных механизмов, а не один доминирующий процесс.
Обновлять региональные модели опасности по мере появления новых данных.
Почему глубокие землетрясения раньше считались менее опасными?
Из-за большой глубины энергия обычно сильнее рассеивается, и колебания на поверхности слабее.
Что такое тепловое бегство простыми словами?
Это процесс, при котором трение при разрыве выделяет тепло, а тепло ускоряет дальнейшее разрушение породы.
Может ли подобное повториться в других зонах субдукции?
Да, если там сочетаются схожие температурные условия и строение погружающейся плиты.