После разрушительного землетрясения Тохоку-Оки, произошедшего у побережья Японии в марте 2011 года, сейсмологи были ошеломлены беспрецедентным 50-метровым смещением по разлому на неглубокой глубине, которая прорвалась на всем пути к поверхности морское дно. Этот экстремальный сдвиг на небольшой глубине усугубил массивное цунами, которое вместе с землетрясением магнитудой 9,1 вызвало значительный ущерб и гибель людей в Японии.
В новом исследовании, опубликованном 27 января в Nature Communications, исследователи использовали новую технику для изучения разломов в Японском желобе, зоне субдукции, где произошло землетрясение Тохоку-Оки. Их результаты показывают долгую историю сильных землетрясений в этой зоне разломов, где они обнаружили многочисленные разломы с признаками подвижек более чем на 10 метров во время сильных землетрясений.
«Мы обнаружили свидетельства многих сильных землетрясений, которые обрушились на морское дно и могли вызвать цунами, подобные тому, которое произошло в 2011 году», - сказал соавтор Пратигия Полиссар, доцент кафедры наук об океане в Калифорнийском университете в Санта-Круз.
Японские исследователи, изучающие отложения наносов на берегу, обнаружили свидетельства по крайней мере трех подобных цунами, которые происходили в этом регионе с интервалом примерно в 1000 лет. Новое исследование предполагает, что в этой зоне разлома было даже больше сильных землетрясений, чем те, которые оставили после себя следы больших цунами на суше, говорит соавтор Хизер Сэвидж, доцент кафедры наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Санта-Круз.
Сэвидж и Полиссар разработали метод оценки истории сейсмических сдвигов по разлому путем анализа органических молекул, захваченных в осадочных породах. Первоначально синтезированные морскими водорослями и другими организмами, эти «биомаркеры» изменяются или разрушаются под воздействием тепла, включая фрикционный нагрев, возникающий при сдвиге разлома во время землетрясения. В ходе обширных лабораторных испытаний за последнее десятилетие Сэвидж и Полиссар разработали методы количественной оценки термической эволюции этих биомаркеров и использования их для реконструкции температурной истории разлома.
Японский проект быстрого бурения траншей (JFAST) пробурил зону разлома в 2012 году, извлек керн и установил температурную обсерваторию. Сейсмолог Калифорнийского университета в Южной Каролине Эмили Бродски помогла организовать JFAST, в результате которого было проведено первое прямое измерение теплоты трения, создаваемой сдвигом разлома во время землетрясения (см. предыдущую историю). Однако это тепло рассеивается после землетрясения, поэтому сигнал слабый и кратковременный.
«Биомаркеры дают нам возможность обнаруживать необратимые изменения в породе, которые сохраняют записи о нагреве в месте разлома», - сказал Сэвидж.
Для нового исследования исследователи изучили ядра JFAST, которые простирались через зону разлома в погружающуюся плиту внизу. «Это сложная зона разломов, и по всему ядру было много разломов. Мы смогли сказать, какие разломы свидетельствовали о сильных землетрясениях в прошлом», - сказал Сэвидж.
Одна из их целей состояла в том, чтобы понять, были ли некоторые типы горных пород в зоне разлома более склонны к большому сдвигу при землетрясении, чем другие горные породы. Керны проходили через слои аргиллитов и глин с разной силой трения. Но анализ биомаркеров показал наличие больших сейсмических подвижек по разломам во всех различных типах горных пород. Исследователи пришли к выводу, что различия в фрикционных свойствах не обязательно определяют вероятность крупного мелкого скольжения или сейсмической опасности.
Сэвидж и Полиссар начали работать над техникой биомаркеров в качестве постдокторантов в Калифорнийском университете в Санта-Круз, опубликовав свою первую статью об этом с Бродским в 2011 году. Они продолжали разрабатывать его в качестве исследователей в Земной обсерватории Ламонта-Доэрти Колумбийского университета, прежде чем вернуться в Калифорнийский университет в Санта-Крус в качестве преподавателей в 2019 году. Ханна Рабинович, первый автор новой статьи, работала с ними в качестве аспиранта в Колумбийском университете и сейчас находится в Министерстве энергетики США.
Мы проверили этот метод на разных породах с разным возрастом и историей нагревания, и теперь мы можем сказать, да, землетрясение было на этом разломе, и мы можем сказать, было ли землетрясение большим или много маленьких те, - сказал Сэвидж. «Теперь мы можем применить эту технику к другим разломам, чтобы узнать больше об их истории».
Помимо Рабиновича, Сэвиджа и Полиссара, соавторами статьи являются Кристи Роу и Джеймс Киркпатрик из Университета Макгилла. Эта работа финансировалась Национальным научным фондом. Проект JFAST спонсировался Международной программой морского бурения (IODP).