Горы Санта-Крус определяют географию района залива к югу от Сан-Франциско, защищая полуостров от холодного морского слоя Тихого океана и формируя пресловутый микроклимат региона. Диапазон также представляет опасности жизни в Силиконовой долине: землетрясения вдоль разлома Сан-Андреас.
Вспышками, которые длятся от секунд до минут, землетрясения сдвигают поверхность региона на метры за раз. Но исследователям так и не удалось примирить быстрое снятие земного напряжения и изгибание земной коры в течение многих лет с формированием горных хребтов в течение миллионов лет. Теперь, объединив геологические, геофизические, геохимические и спутниковые данные, геологи создали трехмерную тектоническую модель, которая разрешает эти временные масштабы.
Исследование, опубликованное в журнале Science Advances от 25 февраля, показывает, что больше горообразования происходит в период между сильными землетрясениями вдоль разлома Сан-Андреас, а не во время самих землетрясений. Полученные данные могут быть использованы для улучшения карт местной сейсмической опасности.
«Этот проект был направлен на то, чтобы связать движения грунта, связанные с землетрясениями, с поднятием горных хребтов за миллионы лет, чтобы нарисовать полную картину того, как на самом деле может выглядеть опасность в районе залива», - сказал ведущий автор исследования Кертис. Баден, аспирант геологических наук в Школе наук о Земле, энергетике и окружающей среде Стэнфордского университета (Stanford Earth).
Гнуть и сломать
По оценкам геологов, горы Санта-Крус начали подниматься над уровнем моря около четырех миллионов лет назад, образовавшись в результате сжатия вокруг изгиба разлома Сан-Андреас. Разлом отмечает границу между Тихоокеанской плитой и Северо-Американской плитой, которые смещаются относительно друг друга по горизонтали в результате сдвигового движения.
Измерения деформации - изменения формы горных пород - показали, что поверхность Земли деформируется и растягивается вокруг разлома Сан-Андреас во время землетрясений и между ними и ведет себя подобно эластичной ленте в течение секунд, лет и даже десятилетий.. Но этот классический подход не может согласовываться с данными геологических наблюдений, потому что он не позволяет горным породам поддаваться или ломаться под воздействием напряжения деформации и растяжения, как это происходит в природе - эффект, который наблюдался в горных хребтах Земли.
Если вы попытаетесь обращаться с Землей как с эластичной лентой и загнать ее вперед слишком далеко, вы превысите ее силу, и она больше не будет вести себя как резинка - она начнет поддаваться, он начнет разрушаться», - сказал старший автор исследования Джордж Хилли, профессор геологических наук в Stanford Earth.«Этот эффект разрушения характерен почти для каждой границы плит, но его редко рассматривают последовательным образом, который позволяет вам перейти от землетрясений к долгосрочным последствиям».
Просто позволив камням разрушаться в своей модели, авторы исследования выяснили, как колебания грунта, связанные с землетрясениями, и колебания грунта между землетрясениями формируют горы на протяжении миллионов лет. Результаты оказались неожиданными: в то время как геолого-геофизическое сообщество рассматривает землетрясения как основную движущую силу процессов горообразования, моделирование показало, что наибольший подъем произошел в период между землетрясениями.
«Принято считать, что постоянное поднятие горных пород на самом деле происходит в результате огромной силы землетрясения», - сказал Хилли. «Это говорит о том, что само землетрясение в какой-то степени снимает накопившееся напряжение».
Соседская лаборатория
Поскольку горы Санта-Крус соседствуют с несколькими научно-исследовательскими институтами, в том числе Стэнфордским, Калифорнийским университетом в Беркли и Геологической службой США (USGS), ученые собрали огромное количество информации о горном хребте. более 100 лет.
Усилия по сбору геологических и геофизических данных были особенно подстегнуты недавними крупными событиями, такими как землетрясение в Лома-Приета в 1989 году и землетрясение в Сан-Франциско в 1906 году, но формирование гор Санта-Крус, вероятно, охватило сотни тысяч более мелких землетрясений из более чем миллионов. лет, по мнению исследователей.
Авторы исследования скомпилировали существующий набор наблюдений, а также собрали новые геохимические данные, измерив газообразный гелий, захваченный кристаллами, содержащимися в горных породах, чтобы оценить, насколько быстро эти породы поднимаются на поверхность с глубины в тысячи футов.. Затем они сравнили эти наборы данных с прогнозами модели, чтобы определить, как землетрясения связаны с подъемом и эрозией горного хребта. На процесс определения свойств материала ушли годы, чтобы отразить сложность, которую требует природа.
Сейсмические последствия
Исследователи провели моделирование с момента, когда горы Санта-Крус начали подниматься четыре миллиона лет назад, до наших дней, чтобы понять, как эволюция топографии вблизи разлома Сан-Андреас во времени влияет на недавние и потенциальные будущие землетрясения.
«В настоящее время оценки сейсмической опасности в районе залива Сан-Франциско в значительной степени основаны на времени землетрясений, произошедших за последние несколько сотен лет, и недавних движениях земной коры», - сказал Баден. «Эта работа показывает, что тщательные геологические исследования, которые измеряют процессы горообразования в гораздо более длительных временных масштабах, чем отдельные землетрясения, также могут помочь в этих оценках».
В настоящее время ученые работают над сопутствующим документом, в котором подробно описывается, как можно улучшить карты риска опасностей с помощью этой новой модели.
«Теперь у нас есть путь вперед с точки зрения фактического наличия жизнеспособного набора механизмов для объяснения различий между оценками в разных временных масштабах», - сказал Хилли. «Чем больше мы можем собрать все воедино, тем более обоснованной может быть наша оценка опасности».
Соавторы исследования включают Дэвида Шустера и Роланда Бюргманна из Калифорнийского университета в Беркли; Фелипе Арон из Исследовательского центра комплексного управления рисками бедствий (CIGIDEN) и Папского католического университета Чили; и Джули Фосдик из Университета Коннектикута. Арон и Фосдик были связаны со Стэнфордом, когда проводили исследование для исследования.
Это исследование было поддержано Карьерным грантом NSF EAR-TECT-1108 105581, Fondo de Financiamiento de Centros de Investigacion en Áreas Prioritarias ANID/FONDAP/15110017-Chile (CIGIDEN) и Фондом Энн и Гордона Гетти.