Сейсмічна загадка: вчені проливають нове світло на землетруси Ріджкрест

Рано ввечері 4 липня 2019 року землетрус магнітудою 6,4 бала сколихнув долину Сірлз у пустелі Мохаве в Каліфорнії, спричинивши підземні поштовхи по всій південній Каліфорнії. Приблизно через 34 години, 5 липня, у сусідньому місті Ріджкрест стався землетрус магнітудою 7,1. Струс був настільки сильним, що його відчули мільйони по всій Каліфорнії, а також у сусідніх місцях, як-от Арізона, Невада, і Нижня Каліфорнія, Мексика.

Ці землетруси, які разом називають землетрусами Ріджкрест, були найпотужнішими, що вразили Каліфорнію за понад два десятиліття. Вони призвели до широкомасштабних структурних пошкоджень, збоїв в електропостачанні та травм. Подія магнітудою 6,4 бала, яка сталася в долині Сірлз, пізніше була класифікована як передчасний поштовх до події M7.1 у Ріджкресті. За кожним землетрусом слідували численні афтершоки.

Дослідники були збентежені послідовністю сейсмічної активності. Чому знадобилося 34 години, щоб передній поштовх викликав головний поштовх? Як ці землетруси «стрибали» з одного сегмента системи геологічних розломів на інший? Чи можуть землетруси «розмовляти» один з одним у динамічному сенсі?

Щоб відповісти на ці питання, група сейсмологів з Інституту океанографії Скріппса при Каліфорнійському університеті в Сан-Дієго та Мюнхенського університету Людвіга Максиміліана (LMU) провела нове дослідження, зосереджене на зв’язку між двома великими землетрусами, які сталися вздовж системи з кількома розломами. Команда використовувала потужний суперкомп’ютер, який об’єднував моделі, засновані на даних і на основі фізики, щоб визначити зв’язок між землетрусами.

Сейсмолог Scripps Oceanography Еліс Габріель, яка раніше працювала в LMU, очолила дослідження разом зі своїм колишнім доктором філософії. студент ЛМУ Тауфік Тауфікуррахман та кілька співавторів. Їхні висновки нещодавно були опубліковані в журналі Nature.

«Ми використали найбільші з доступних комп’ютерів і, мабуть, найдосконаліші алгоритми, щоб спробувати зрозуміти цю справді загадкову послідовність землетрусів, які сталися в Каліфорнії в 2019 році», — сказав Габріель, який зараз є доцентом Інституту геофізики та фізики планет при океанографії Скріппса. «Високопродуктивне обчислення дозволило нам зрозуміти рушійні фактори цих великих подій, що може допомогти в оцінці сейсмічної небезпеки та готовності».

Розуміння динаміки розривів з кількома розломами є важливим, сказав Габріель, тому що ці типи землетрусів, як правило, сильніші, ніж ті, що відбуваються в одному розломі. Наприклад, дубль землетрусу в Туреччині та Сирії, який стався 6 лютого 2023 року, призвів до значних людських жертв і значних руйнувань. Ця подія характеризувалася двома окремими землетрусами, які відбулися з інтервалом лише в дев’ять годин, причому обидва поширювалися через кілька розломів.

Під час землетрусів Ріджкрест у 2019 році, які виникли в зоні зсуву Східної Каліфорнії вздовж системи скидових розломів, обидві сторони кожного розлому рухалися переважно в горизонтальному напрямку без вертикального руху. Послідовність землетрусів каскадом пролягала через переплетені та раніше невідомі «антитетичні» розломи, незначні або вторинні розломи, які рухаються під великими (близько 90 градусів) кутами до основного розлому. У сейсмологічному співтоваристві продовжується дискусія щодо того, які сегменти розломів активно сповзали та які умови сприяють виникненню каскадних землетрусів.

Нове дослідження представляє першу модель із багатьма розломами, яка об’єднує сейсмограмми, тектонічні дані, польові карти, супутникові дані та інші набори космічних геодезичних даних із фізикою землетрусів, тоді як попередні моделі цього типу землетрусів базувалися виключно на даних.

«Через призму моделювання, наповненого даними, розширеного можливостями суперкомп’ютерів, ми розгадуємо тонкощі сполучених землетрусів із кількома розломами, проливаючи світло на фізику, що керує динамікою каскадних розривів», — сказав Тауфікуррахман.

Використовуючи суперкомп’ютер SuperMUC-NG у Суперкомп’ютерному центрі імені Лейбніца (LRZ) у Німеччині, дослідники виявили, що події в Долині Серлз і Ріджкрест дійсно пов’язані. Землетруси взаємодіяли через статично сильну, але динамічно слабку систему розломів, керовану складною геометрією розломів і низьким динамічним тертям.

Тривимірна симуляція розриву, проведена командою, ілюструє, як розломи, які вважалися сильними до землетрусу, можуть стати дуже слабкими, щойно відбувається швидкий рух землетрусу, і пояснює динаміку того, як кілька розломів можуть розриватися разом.

«Коли системи збоїв ламаються, ми спостерігаємо несподівані взаємодії. Наприклад, каскади землетрусів, які можуть переходити від сегмента до сегмента, або один землетрус змушує наступний рухатися незвичним шляхом. Землетрус може стати набагато сильнішим, ніж ми очікували», — сказав Габріель. «Це складно включити в оцінку сейсмічної небезпеки».

На думку авторів, їхні моделі мають потенціал для «трансформаційного впливу» на сферу сейсмології шляхом покращення оцінки сейсмічної небезпеки в активних системах з багатьма розломами, які часто недооцінюють.

«Наші висновки свідчать про те, що подібні моделі можуть включати більше фізики в оцінку сейсмічної небезпеки та готовність до неї», — сказав Габріель. «За допомогою суперкомп’ютерів і фізики ми розгадали, мабуть, найдетальніший набір даних про складну схему розриву землетрусу».