Новая физическая модель показывает, что стык разломов Кахон-Пасс в Южной Калифорнии испытывает критическую нагрузку и может повлиять на то, распространится ли в будущем крупное землетрясение на две системы разломов. Источник: SciTechDaily.com

Ученые смоделировали историю землетрясений за тысячелетие и обнаружили необычно высокое напряжение, накапливающееся вдоль основных разломов Южной Калифорнии.

Более 150 лет самые мощные разломы Южной Калифорнии накапливали энергию глубоко под землей. Несмотря на то, что в регионе часто происходят небольшие землетрясения, геологи знают, что самые крупные и разрушительные землетрясения разделены длительными периодами относительного спокойствия, во время которых тектоническое напряжение постепенно нарастает.

Большая часть этого напряжения сосредоточена вдоль разломов Сан-Андреас и Сан-Хасинто — двух крупных тектонических разломов, по которым происходит движение Тихоокеанской и Северо-Американской тектонических плит. К северо-востоку от Лос-Анджелеса разломы сходятся в районе перевала Кахон — геологически сложного участка, который давно привлекает внимание ученых, поскольку разрыв на одном из разломов потенциально может распространиться на другой.

Последним крупным землетрясением, затронувшим регион Лос-Анджелеса, стало землетрясение в Форт-Техоне магнитудой 7,9 в 1857 году. С тех пор напряжение вдоль этих сегментов разлома продолжало нарастать, что привело к необычно длительному периоду затишья, который исследователи все чаще рассматривают как повод для беспокойства.

Современное (2025 год) моделирование накопления кулоновского напряжения в южной части разлома Сан-Андреас в региональном контексте. Серым цветом обозначены следы разлома. Белый круг указывает на расположение перевала Кахон и трех прилегающих сегментов разлома. Цвета показывают кулоновское напряжение, которое указывает на вероятность землетрясения в том или ином месте. Фото: Лилиан Буркхард

В новом исследовании, проведенном под руководством доктора Лилиан Буркхард из отдела космических исследований и планетологии (WP) Физического института Университета Берна, смоделирована сейсмическая активность на протяжении тысячелетия вдоль южных разломов Сан-Андреас и Сан-Хасинто, чтобы оценить, какие нагрузки сейчас испытывает перевал Кахон.

В международную группу вошли исследователи из Гавайского университета в Маноа, Центра изучения землетрясений Геологической службы США в Пасадене и Океанографического института Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего. 

Результаты исследования показывают, что тектоническое напряжение в этом районе достигло, а в некоторых местах превысило самые высокие показатели за последние 1000 лет. В исследовании также говорится, что перевал Кахон является «воротами землетрясений»: местом соединения разломов, которое помогает определить, останется ли сильное землетрясение в пределах одного разлома или распространится на обе системы сразу. Исследование было опубликовано в Journal of Geophysical Research: Solid Earth.

Моделирование истории землетрясений за 1000 лет

Чтобы изучить, как менялось напряжение вдоль разломов Сан-Андреас и Сан-Хасинто, а также в ключевом районе перевала Кахон, исследовательская группа создала четырехмерную физическую модель цикла землетрясений, то есть она имитирует три пространственных измерения, а также время. Затем в модель были добавлены данные о землетрясениях за последние 1000 лет, восстановленные на основе геологических данных, в том числе радиоуглеродного анализа, аномалий годичных колец деревьев и исторических записей о разломах земной коры.

«Модель отслеживает, как каждое землетрясение меняет напряжение в соседних сегментах разлома, как напряжение накапливается в периоды затишья между землетрясениями и как более глубокие слои земной коры медленно релаксируют после крупных разрывов», — объясняет Буркхард. «Эта симуляция позволяет нам понять, как напряжение в системе разломов накапливается веками, — продолжает Буркхард. — Проведя симуляцию истории землетрясений в Южной Калифорнии, мы можем оценить, насколько напряжена система разломов уже сегодня».”

Исследования показывают, что напряжения в регионе в настоящее время достигли самого высокого уровня за последние 1000 лет.

Накопление кулоновского напряжения в системе разломов Сан-Андреас на юге. Иллюстрация состояния напряжений до и после землетрясения в Райтвуде в 1812 году (слева), которое распространилось по обоим разломам, и землетрясения в Форт-Техоне в 1857 году, которое не распространилось за пределы перевала Кахон (справа). На рисунке видны остаточные очаги напряжений и их скопления в сегментах, не участвовавших в землетрясении, на юге. Источник: Лилиан Буркхард

«Землетрясенческие ворота» как решающий ключевой фактор

Один из основных выводов исследования заключается в том, что перевал Кахон может выступать в роли «землетрясенческих ворот» — узла, от которого зависит, остановится ли крупный сдвиг на одном разломе или пройдет через обе системы. Прошлые землетрясения демонстрируют обе возможности. Землетрясение в Форт-Техоне в 1857 году остановилось на перевале Кахон и не привело к подвижкам на разломе Сан-Хасинто, в то время как землетрясение в Райтвуде в 1812 году прошло через этот узел и привело к подвижкам в обеих системах.

«Концепция сейсмических ворот отражает важную особенность работы разломов, — объясняет Буркхард. — Разлом Кахон не просто блокирует или направляет землетрясения: он реагирует на условия напряжения, и эти условия меняются на протяжении веков».

Исследование показало, что главная проблема заключается не только в величине напряжения на одном из разломов, но и в том, что напряжение на двух системах разломов возрастает примерно одинаково. Когда оба разлома испытывают сильное напряжение одновременно, условия становятся более благоприятными для крупного разрыва, который затронет обе системы. Когда уровни напряжения не совпадают, разрывы чаще всего происходят в местах соединения.

Протяженность разрывов при землетрясениях, которые проходят или заканчиваются в районе перевала Кахон. На основе модели максимального разрыва (Maximum Rupture Model, MRM) Шерара и Юла (2020) и моделирования Родригеса Падильи и др. (2021). Цвета обозначают землетрясения с одинаковой протяженностью разрывов; в каждом случае указан средний возраст этих событий. Маленькие стрелки показывают, где разрывы продолжаются за пределами показанного участка карты. Слева представлена хронология событий на перевале Кахон. Показано, когда «ворота» были открыты или закрыты. Фото: Лилиан Буркхард

В настоящее время, по данным модели, напряжение на участке Сан-Хасинто — Бернардино составляет 3,6 МПа, что выше любого значения, зафиксированного в ходе моделирования за последние 1000 лет. На соседнем участке разлома Сан-Андреас в южной части пустыни Мохаве напряжение составляет 2,8 МПа. Это означает, что оба участка испытывают высокое напряжение и уровень напряжения на них примерно одинаков. Такая картина исторически предшествовала разрывам.

«Вызывает беспокойство не только то, что напряжение достигает исторического максимума, — говорит Буркхард, — но и то, что относительное напряжение между двумя системами разломов приближается к значениям, которые мы связываем с крупными разрывами, затрагивающими оба разлома одновременно. А это сценарий с гораздо более серьезными последствиями для региона».

Повышенный риск в густонаселенных регионах

Если бы разрыв прошел через перевал Кахон и затронул бы как разлом Сан-Андреас, так и разлом Сан-Хасинто, последствия были бы гораздо серьезнее, чем при землетрясении, затронувшем только один разлом. В зоне риска находятся одни из самых густонаселенных и важных с точки зрения инфраструктуры коридоров в США, в том числе Большой Лос-Анджелес, Сан-Бернардино, Риверсайд и долина Коачелла. Через сам перевал Кахон проходят основные автомагистрали, железнодорожные линии и энергетическая инфраструктура.

«Вопрос о том, когда и как произойдет следующее крупное землетрясение в этом регионе, является одной из самых насущных проблем в прикладной геологии. Наши результаты дают более четкое, основанное на физических законах представление о текущем напряженном состоянии системы разломов, а разработанная нами концепция применима не только к Калифорнии, но и к другим сложным разломным зонам по всему миру», — говорит Буркхард.

Однако Буркхард подчеркивает: «Исследование не является прогнозом того, когда произойдет землетрясение. Мы можем сказать лишь то, что система испытывает критическую нагрузку и что основанные на физических законах модели, подобные нашей, дают более четкое представление о диапазоне сценариев, к которым мы должны быть готовы». Эта информация важна для оценки опасности, планирования инфраструктуры и обеспечения готовности к чрезвычайным ситуациям ”.