В эпохальном исследовании космических наблюдений за движением земной коры геологи использовали ту же спутниковую навигационную систему, которая использовалась для автомобилистов и яхтсменов, чтобы следить за движением всего континента и регистрировать ежегодный рост Анды в Южной Америке с точностью до доли дюйма.
Находка, опубликованная на обложке журнала Science от 16 января, обещает улучшить оценку опасности землетрясений, поскольку она показывает, что спутниковые данные могут помочь геологам рассчитать накапливающиеся напряжения вдоль линий разломов по мере того, как плиты земной коры скользят друг по другу.
Исследователи из Северо-Западного университета, Университета Майами, Института Карнеги и Университета Мемфиса вместе с перуанскими и боливийскими учеными использовали спутники глобальной системы позиционирования NAVSTAR (GPS) для измерения перемещений в разных точках Южной Америки. континента за двухлетний период. Раньше геологам приходилось полагаться на данные, которые отслеживали накопленные движения плит за миллионы лет.
«Мы находимся в совершенно новом мире, где мы можем смотреть на геологию в режиме реального времени», - сказал Сет Стейн, профессор геологических наук в Северо-Западном университете и главный исследователь исследования. «GPS изменил поле с исторического подхода на современный подход».
Именно Дарвин первым заподозрил, что гигантские горы, огромные вулканы и сильные землетрясения, происходящие вдоль тихоокеанского побережья Южной Америки, связаны друг с другом. В 1960-х годах геологи поняли, что все эти явления были следствием того, что океаническая плита Наска скользила под Южноамериканскую плиту.
Но ученые, изучающие тектонику плит, смогли наблюдать изменения только по мере того, как они накапливались в геологической летописи в течение миллионов лет, потому что плиты размером с континент перемещаются всего на несколько дюймов каждый год - примерно со скоростью, с которой растут ногти.
Введите GPS. Глобальная система позиционирования, сеть из двух десятков орбитальных спутников, была разработана в 1970-х годах Министерством обороны для обнаружения кораблей и самолетов на расстоянии около 100 ярдов. Та же степень точности оказалась полезной для автотранспортных компаний и транспортных флотов и теперь широко используется в гражданских целях водителями, лодочниками и даже туристами.
Но геологи потратили последнее десятилетие на совершенствование технологии, чтобы иметь возможность определять местоположение с гораздо большей точностью - примерно с одной восьмой дюйма.
«Очевидно, что ни у военных нет необходимости определять цели с точностью до трех миллиметров, ни у водителей», - сказал Штейн. «Если вы просто включите GPS-приемник и подождите две минуты, он скажет вам, где вы находитесь в пределах ста метров. Но если вы продолжите запись в течение пары дней и используете приемник за 20 000 долларов вместо приемника за 300 долларов, вы можете получить точность в доли сантиметра».
Исследователи воткнули большие булавки в твердую почву в 43 разных местах на южноамериканском континенте. Они ездили на каждое место и использовали точную оптическую систему отвеса, установленную на треноге, для размещения антенны прямо над ориентиром, а затем отслеживали спутник в течение нескольких дней, пока GPS-приемник записывал положение спутника..
«Это дало нам огромный набор данных, чтобы мы могли получить очень точные наземные координаты», - объяснила аспирантка Северо-Западного университета Лиза Леффлер-Гриффин, чья докторская степень. на основе работы написана диссертация. «Мы обработали спутниковые данные, чтобы избавиться от ошибок из-за неточностей в орбитах и из-за атмосферных влияний на радиосигналы».
Результаты показывают, что между плитами Наска и Южной Америкой происходит около трех дюймов движения в год, и оно делится на три части. Около 1,4 дюйма плиты Наска в год плавно скользит под Южную Америку, вызывая появление вулканов. Еще 1,3 дюйма в год задерживается на границе плиты, сдавливая Южную Америку, и высвобождается каждые сто лет или около того в результате сильных землетрясений. Около 0,3 дюйма движения в год разрушает Южную Америку, образуя Анды.
«Анды были для нас главной целью, потому что наряду с Гималаями они являются самой высокой и широкой горной цепью, которая сейчас активно строится», - сказал Штейн. «Это чрезвычайно сейсмоопасный район. Здесь происходят одни из самых сильных землетрясений в мире».
Исследователи сравнили свои результаты с предсказанными значениями NUVEL-1, стандартной модели движения плит, разработанной в Северо-Западном университете, которая описывает относительные скорости и направления, в которых движутся все земные плиты.
«Что действительно приятно, так это то, что это похоже на то, о чем мы давно подозревали, что эти движения происходят довольно плавно в течение 25 миллионов лет», - сказал Штейн, который был одним из разработчиков NUVEL- 1.«Мы понятия не имели, как геологические процессы на протяжении миллионов лет соотносятся с процессами в масштабе лет. Сейчас мы начинаем понимать, что они похожи. Так что движение плит - очень устойчивое явление».
Стейн сказал, что новые данные демонстрируют, что космические измерения могут детально показать, как движение плит происходит в пограничных зонах между парами плит, таких как Анды, Гималаи или Сан-Андреас. Данные также показывают, что внутренняя часть плит в основном жесткая, что является ключевым предположением большинства моделей тектонических плит. Но вдобавок, по его словам, теперь можно изучать загадочные зоны внутри плит, которые не должны двигаться, но движутся, например, зона Нового Мадрида в центральной части США, где с 1811 по 1812 годы происходили гигантские землетрясения. является частью другой группы исследователей, использующих GPS для количественной оценки скорости и распределения накопления деформации в сейсмической зоне Нового Мадрида.
Помимо Штейна и Леффлера-Гриффина из Northwestern, другими авторами научной статьи являются Эдмундо Норабуэна и Леонидас Окола из Института геофизики Перу, Айлин Мао и Тимоти Диксон из Университета Майами, Селвин Сакс из Институт Карнеги и Майкл Эллис из Мемфисского университета.
Исследование проводилось при поддержке НАСА и Национального научного фонда.