Землетрясение Тохоку-Оки, произошедшее 11 марта 2011 года, стало самым сильным и разрушительным в истории Японии. Японские исследователи и их норвежские партнеры усердно работают, пытаясь понять, что же сделало его таким разрушительным.
Сильное землетрясение, которое потрясло Японию 11 марта 2011 года, унесло жизни более 20 000 человек, что сделало его одним из самых смертоносных стихийных бедствий в истории страны. Практически все пострадавшие утонули в цунами, высота которого местами превышала 30 метров.
Цунами также нанесло ущерб атомной электростанции Фукусима-дайити, вызвав расплавление трех из шести реакторов станции и выпустив в океан рекордное количество радиации. В какой-то момент реакторы были настолько нестабильны, что бывший премьер-министр Наото Кан позже признался, что рассматривал возможность эвакуации 50 миллионов человек из Большого Токио. В итоге 160 000 человек были вынуждены покинуть свои дома из-за радиации.
Это национальное бедствие, крупнейшее в истории Японии землетрясение, стало призывом к действию для японских геологов. Их миссия: точно понять, что же сделало это землетрясение столь разрушительным. Для этого они обратились к JAMSTEC, Японскому агентству морской и земной науки и технологий, чтобы исследовать тайны 7000-метровой японской впадины, эпицентра подземных толчков.
За пять лет, прошедших после катастрофы, исследователи нашли интригующие подсказки относительно того, что сделало землетрясение таким опасным. Норвежский нефтяной опыт, полученный при работе на норвежском континентальном шельфе, теперь помогает раскрыть новые детали, поскольку ученые продолжают пытаться понять, какие факторы способствуют тому, чтобы землетрясение в этом регионе было действительно сильным. При этом они надеются, что смогут лучше предсказать величину и местонахождение будущих землетрясений и цунами.
Нагромождение тектонических плит
Япония находится в одном из самых опасных мест, когда дело доходит до землетрясений. Северная часть страны лежит на части Северо-Американской плиты, тогда как южная часть страны находится на Евразийской плите. На севере Тихоокеанская плита скользит под Североамериканскую плиту, а на юге Евразийская плита скользит по плите Филиппинского моря. Когда одна плита движется относительно другой, движение может вызвать землетрясение и цунами.
Сложное нагромождение тектонических плит объясняет, почему каждый год в стране происходит около 1500 землетрясений и почему в ней находится 40 действующих вулканов, что составляет 10 процентов от общего числа вулканов в мире.
Учитывая, что в Японии происходит так много землетрясений, землетрясение, которое потрясло страну днем 11 марта, не было полной неожиданностью. Фактически, исследователи предсказали, что в течение следующих 30 лет в этом регионе произойдет землетрясение магнитудой 7,5 или более.
Землетрясения в Японии происходят достаточно часто, поэтому в стране действуют строгие строительные нормы и правила для предотвращения повреждений. Большинство крупных зданий извивается и качается от сотрясений земли - один мужчина в Токио рассказал Би-би-си, что движения в небоскребе на его рабочем месте во время землетрясения 2011 года были настолько сильными, что его укачивало, - и даже атомная станция Фукусима-дайити была защищена 10- дамба метровой высоты.
И все же некоторая комбинация факторов сделала землетрясение Тохоку-Оки более сильным и с более смертоносным цунами, чем ожидали ученые. Но что?
«Это то, что мы хотим понять - и смягчить последствия», - говорит Шиничи Курамото, генеральный директор Центра глубоководных исследований JAMSTEC. «Почему происходят эти сильные землетрясения?»
Очень большой промах
Исследователи JAMSTEC мобилизовались почти сразу после катастрофы и отправили свое 106-метровое исследовательское судно RV Kairei в эпицентр землетрясения всего через несколько дней после того, как оно произошло.
Чуть более двух недель корабль курсировал над Японской впадиной у берегов Хонсю. Цель состояла в том, чтобы создать батиметрическую картину морского дна и собрать данные сейсморазведки, которые позволят исследователям заглянуть в отложения и горные породы под морским дном.
Последующий рейс RV Kaiyo компании JAMSTEC через 7-8 месяцев после землетрясения позволил собрать дополнительные сейсмические изображения высокого разрешения в этом районе. К счастью, у исследователей также были данные аналогичного исследования, проведенного в 1999 году в том же регионе.
Данные показали, что морское дно в районе траншеи сместилось на 50 метров по горизонтали, сказал Ясуюки Накамура, заместитель руководителя группы в Центре исследований землетрясений и цунами JAMSTEC. Группа структурной сейсмологии.
"Это был большой промах в районе оси траншеи", сказал он. «Для сравнения, землетрясение 1995 года в Кобе, унесшее жизни более 6000 человек и магнитудой 7,3, имело средний сдвиг в 2 метра».
Еще одно землетрясение силой 8 баллов в 1946 году в районе Нанкай на юге Японии, разрушившее 36 000 домов, имело максимальный сдвиг 10 метров, сказал Накамура.
«Итак, вы можете видеть, что 50 метров - это очень большой промах», - сказал он. По его словам, это само по себе частично объясняет, почему волна цунами была такой большой.
Создание изображений с помощью звуковых волн
Когда Мартин Ландро, геофизик из Норвежского университета науки и технологий (NTNU), прочитал о землетрясении в Японии и узнал, что его японские коллеги собрали сейсмические данные как до, так и после землетрясения, он подумал, что может быть в состоянии предложить некоторую помощь.
Более 20 лет Ландро занимается интерпретацией и визуализацией сейсмических данных. Нефтяные компании и геофизики обычно используют этот подход для сбора информации о геологии под морским дном. Ландро изучил все: от использования сейсмических данных для открытия новых подводных нефтяных резервуаров до визуализации того, что происходит с CO2, закачиваемым в подводный резервуар, как это делается сейчас на месторождении Слейпнер в Северное море.
Это работает так: корабль плывет по прямой на 100 и более километров и использует пневматические пушки для подачи акустического сигнала через каждые 50 метров, пока корабль плывет. Корабль также буксирует за собой длинный кабель для записи акустических сигналов, которые отражаются обратно от отложений и коренных пород под морским дном. Проще говоря, более твердые материалы отражают сигналы быстрее, чем более мягкие материалы.
Геологи могут создать двухмерное изображение, поперечное сечение геологии под морским дном, буксируя один длинный трос за кораблем. Трехмерное изображение может быть создано путем буксировки нескольких кабелей с датчиками на них и, по сути, объединения серии двухмерных изображений в трехмерное.
Особый тип сейсмических данных, однако, называется 4D, где четвертым измерением является время. Здесь геофизики могут комбинировать 2D-изображения из разных периодов времени или 3D-изображения из разных периодов времени, чтобы увидеть, как территория менялась с течением времени. Это может быть очень сложно, особенно если для сбора сейсмических данных за два разных периода времени использовались разные системы. Но сейсмический анализ 4D - это особая специализация Ландро.
От нефтяных резервуаров Северного моря до Японского желоба
Ландрё связался с Шуичи Кодаирой, директором Центра землетрясений и цунами JAMSTEC, и сказал, что хотел бы узнать, можно ли использовать некоторые из методов, которые использовались для целей, связанных с нефтью, для понимания изменений напряжения, связанных с землетрясениями.. Кодаира согласился.
Затем нужно было просто получить данные и «повторно обработать их», сказал Ландро, чтобы сделать два разных периода времени как можно более сопоставимыми.
«Тогда мы могли бы оценить движения и изменения, вызванные землетрясением на морском дне и под ним», - сказал Ландро.
После почти года совместной удаленной работы над данными Ландро и его норвежские коллеги в ноябре 2016 года вылетели в Японию, чтобы впервые встретиться со своими японскими коллегами. Сейчас они совместно пишут научную статью для публикации, поэтому он не хочет подробно описывать свои новые открытия до того, как они будут опубликованы.
«Конечная цель здесь состоит в том, чтобы как можно более подробно понять, что произошло во время землетрясения. Общая картина примерно такая же», - сказал Ландро. «Это больше похоже на то, что мы смотрим на мелкие детали, которые могут быть важны, используя технику, которая использовалась в нефтяной промышленности в течение многих лет. Возможно, мы увидим некоторые детали, которых раньше не видели».
Система раннего предупреждения
Landrø также интересуется системой, которую JAMSTEC установила в океане у южной части страны, которая называется системой Dense Oceanfloor Network для землетрясений и цунами, более известной как DONET.
Система DONET (которых сейчас две) представляет собой серию связанных датчиков давления, установленных на дне океана в Нанкайской впадине, районе, который неоднократно подвергался опасным землетрясениям, сказал Накамура из JAMSTEC.
Нанкайский желоб расположен там, где плита Филиппинского моря сползает под Евразийскую плиту со скоростью около 4 см в год. В целом каждые 100-150 лет вдоль желоба происходили сильные землетрясения.
DONET 1 также включает в себя серию сейсмометров, измерителей наклона и индикаторов деформации, которые были установлены в яме на 980 метров ниже известного очага землетрясения в Нанкайском желобе. Датчики из карьера и с морского дна связаны между собой сетью кабелей, которые отправляют наблюдения в режиме реального времени на станции мониторинга, а также в местные органы власти и предприятия.
По сути, если движение достаточно велико, чтобы вызвать землетрясение и цунами, датчики сообщат об этом. Исследователи JAMSTEC провели исследования, которые показывают, что сеть DONET может обнаруживать приближающееся цунами на 10-15 минут раньше, чем наземные станции обнаружения вдоль побережья. Эти дополнительные минуты могут означать спасение тысяч жизней.
«Одной из основных целей здесь является создание системы раннего предупреждения о цунами», - сказал Накамура. «Мы сотрудничали с местными органами власти, чтобы установить это».
Возможны другие приложения
Ландрё говорит, что, по его мнению, методы 4D-сейсморазведки также можно использовать с данными, собранными всеми датчиками DONET.
Подход DONET или некоторые его варианты также могут быть полезны в будущем, поскольку Норвегия и другие страны изучают возможности использования нефтяных резервуаров для хранения CO2. Одной из самых больших проблем при хранении CO2 в подводных резервуарах является мониторинг зоны хранения, чтобы убедиться, что CO2 остается на месте. По словам Ландро, здесь может быть интересна система мониторинга в стиле DONET.
Ландрё также говорит, что, по его мнению, методы 4D-сейсморазведки можно использовать с данными, собранными всеми датчиками DONET, чтобы лучше понять, как территория меняется с течением времени.
DONET - это пассивные данные, слушающие рок, - сказал Ландро. «Но здесь вы также можете использовать некоторые из тех же методов, что и для 4D-анализа, чтобы узнать больше».