Мягкая поступь вулкана: феномен "тихих землетрясений"

Александр ЗАЙЦЕВ
Землетрясения не всегда происходят в одночасье и сопровождаются громадными жертвами и разрушениями. Иногда они совершаются бесшумно, в течение многих недель, а то и месяцев, не причиняя видимого ущерба. Однако их безобидность обманчива. Даже тихие землетрясения могут порождать губительные цунами, а иногда приводят впоследствии к самым настоящим землетрясениям.

Улитка туристов обманет

Летом 1999 года на западном побережье США и Канады, между Ванкувером и Сиэтлом, наблюдалось мощное землетрясение. Его магнитуда, как подсчитали, равнялась 6,7 — этого хватило бы, чтобы нанести немалый урон обоим городам. О таких подземных ударах помнят десятилетиями — когда на руинах опустошенных улиц давно уже вырастут новые кварталы. Этот же разгул стихии, вопреки его ярости, остался памятен лишь ученым; он не выдал себя даже звяканьем посуды в шкафу. Вся энергия, накопившаяся в недрах земли, распылилась бесшумно, словно унесенная легким ветерком. Да и продолжалось это событие не считаные секунды, когда удар, взрыв, грохот.., а много дней подряд, пока все, что было накоплено, не вытекло тихо, как вода из прохудившегося ведра. Даже ученые заметили этот катаклизм только месяц спустя, когда приборы спутниковой навигации показали, что территория площадью 15 тысяч квадратных километров сдвинулась на два сантиметра. Подобный феномен получил название «тихого землетрясения». Впервые его удалось наблюдать в конце 1990-х годов к западу от Японии — там, где Филиппинская плита погружается под Евразийскую.

Открытие такого рода явлений ста ло возможным именно благодаря системе спутниковой навигации, позволяющей определить с точностью до миллиметров положение любой точки на нашей планете. С начала 1990-х годов геологи используют ее для наблюдения за сейсмически опасными регионами и действующими вулканами. К их удивлению, выяснилось, что приборы фиксировали незначительные перемещения земной коры, которые никак не были связаны ни с землетрясениями, ни с извержениями вулканов. И все же эти незначительные «подвижки» коры выглядели настоящей иллюстрацией сейсмической активности. Они периодически происходили вдоль границ, разделявших литосферные плиты. Внезапно те приходили в движение и столь же неожиданно останавливались. Подчас скорость перемещений достигала нескольких сантиметров в день. Все это напоминало настоящие землетрясения, которые, правда, совершались очень плавно — так, что ни люди, ни приборы не замечали происходившего.

Одно из первых таких землетрясений, зафиксированных учеными, наблюдалось на острове Гавайи в ноябре 2000 года на глазах у тысяч туристов, которые, впрочем, ничего не заметили: ведь его не сопровождали подземные толчки. На первый взгляд здесь вообще ничего не изменилось. Лишь данные приборов подтвердили, что южный склон вулкана Килауэа, полюбоваться которым неизменно стекаются толпы отдыхающих, оказался ближе к морю, чем прежде. Две тысячи кубических километров горных пород подползли к воде так тихо, что никто не определил на глаз их маневр. Даже сейсмографы не заметили мягкую поступь вулкана. Если бы такой дрейф стал результатом настоящего землетрясения, его магнитуда составила бы 5,7.

«Я бы сам не обнаружил это землетрясение, — признавался американский геолог Питер Сервелли, работавший на Гавайских островах, — если бы не сеть высокочувствительных приборов, установленных Геологической службой США для наблюдения за вулканами на острове Гавайи. Они фиксировали любые изменения, происходившие с вулканом Килауэа. Именно благодаря им я заметил, что южный склон вулкана сполз на целых десять сантиметров. В то же время я увидел, что этот дрейф продолжался примерно 36 часов, то есть происходил буквально со скоростью улитки» (подробнее об этом открытии можно прочитать в статье П. Сервелли, опубликованной в июньском номере журнала «В мире науки» за 2004 год).

Однако этот безобидный на первый взгляд дрейф целой горы со временем может привести к чудовищным последствиям. Склон вулкана когда-нибудь так же незаметно подползет к морю настолько близко, что неминуемо рухнет, оторвется от остальной горы, и тогда его падение породит волну-убийцу — цунами. Декабрьские события 2004 года показали, насколько опасной она может быть. В компьютерной модели волна гавайского цунами достигала в высоту даже трехсот метров! На короткое время она накрывала соседний остров Мауи от одного берега до другого, рассекая его на два небольших островка. Впрочем, сам Сервелли признает, что вероятность такого исхода мала. По его расчетам, эти события повторяются на Гавайских островах раз в сотню тысяч лет. Впрочем, некоторые его оппоненты называют цифру десять тысяч лет. Нечто подобное может происходить не только на Гавайях, но и на островах Галапагос в Тихом океане или острове Реюньон в Индийском океане.

Призрак без видимости на цыпочках

За последнее десятилетие геологи зафиксировали еще несколько «тихих землетрясений» и даже разобрались в причинах, порождающих их. Что же заставляет громадные глыбы литосферы бесшумно передвигаться, словно «привстав на цыпочки»?

Обычно, когда одна плита напирает на другую, им не так легко разойтись. Плиты ломаются, как кости, и, содрогаясь, тело города, оказавшегося в очаге катастрофы, грузно падает, встряхиваясь всеми стенами зданий. Во время же тихого землетрясения плиты, намертво сцепившиеся друг с другом, неожиданно выскальзывают из этих стальных объятий, расходятся в стороны, будто борцы, остановленные судьей. Именно это и происходило в США и Канаде с 18 августа по 22 сентября 1999 года. Месяц с лишним здесь длилась катастрофа — так долго, что от ее грозного призрака не осталось даже видимости. Одна плита плавно отодвинулась от другой, даже не поранив ее.

С тех пор американские и канадские сейсмологи каждые 13-15 месяцев регистрируют на северо-западе США и в соседних районах Канады примечательный феномен, получивший название «Episodic Tremor and Slip» , а именно эпизодические вибрацию и скольжение. В среднем за пару недель плиты смещаются на три — пять миллиметров (обычная скорость дрейфа литосферной плиты составляет здесь всего около сантиметра в год).

Очевидно, у земной коры гораздо больше возможностей снять накопившиеся в ней напряжения. Если бы не этот периодический «Slip», то в данном районе США чаще случались бы разрушительные землетрясения. Ведь здесь, у побережья Северной Америки, плита Хуан-де-Фука погружается под континент. Так, в начале 2007 года
за те две недели (15 января — 2 февраля), что континент скользил, как по льду, участок упершейся в него плиты Хуан-де-Фука шириной добрых две сотни километров плавно опустился на пять сантиметров вглубь. Если бы это произошло в течение нескольких секунд, то наблюдалось бы землетрясение, имеющее магнитуду 6. Наверняка часть зданий и других построек обрушилась бы. Однако событие растянулось на полмесяца, а потому никаких бедствий жители острова Ванкувер, например, не испытали.

Подобные землетрясения могут длиться очень долго. Так, два года назад Кристина Ларсон из Колорадского университета, используя систему спутниковой навигации, наблюдала за «тихим землетрясением» в Мексике, продолжавшимся с апреля по декабрь 2006 года. Если бы накопившаяся тогда энергия высвободилась разом, произошла бы сейсмическая катастрофа, имеющая магнитуду 7,5.

Тремор по тальку

Итак, плиты, плавно расползающиеся в стороны, некоторыми движениями все же выдают себя. И в Коста-Рике, и на юге Японии, где также граничат литосферные плиты, геофизики опять же отмечали странную дрожь — «тремор». Нечто подобное наблюдают в районах вулканической активности — там, где растекающаяся магма разогревает грунтовые воды. Может быть, «и тихие землетрясения» тоже связаны с водой?

Две плиты упираются друг в друга. Вот сейчас одна из них рывком встряхнет другую, но неожиданно зазор между ними заполняет вода, выдавленная из толщи горных пород. Слой ее растекается между плитами, точно машинное масло — между частями заработавшего агрегата. И вот уже, скользя по этой смазке, одна плита покатилась в сторону от другой. Такое объяснение, например, дали на страницах Nature Хайди Хьюстон и Джон Видал из Вашингтонского университета. Вода «играет роль своего рода смазки, уменьшающей трение на границе двух плит», вторит им на страницах того же журнала Дэвид Шелли.

Еще одно наблюдение подтверждает экзотический характер «тихих землетрясений». Из статьи Джастина Рубинштейна (Вашингтонский университет), опубликованной в журнале Science, явствует, что вибрации у северо-западного побережья США зависели от приливов и отливов. Так, в январе 2007 года они дважды в день усиливались примерно на треть — всякий раз, когда начинался прилив. На обычные землетрясения приливы и отливы не оказывали влияния, поскольку силы притяжения Солнца и Луны, как и давление морской воды, бывают гораздо слабее напряжений, возникающих в земной коре. Механизм связи тихих землетрясений с приливами и отливами пока не совсем ясен. Наиболее правдоподобная гипотеза гласит, что в момент прилива под тяжестью нахлынувшей воды одна литосферная плита энергичнее проскальзывает под другую.

Впрочем, если предполагать, что вода является своего рода смазкой и способствует скольжению плит, то, очевидно, близ вулканов, где встречаются геотермальные источники, чаще должны наблюдаться и глубинные вибрации. Однако эта гипотеза пока не подтвердилась.

Ученым не удалось также найти нечто общее, что объединяет все области, где отмечен тремор. «Мы задаемся все новыми и новыми вопросами, пытаясь понять, что вызывает подобное смещение плит и почему они так движутся», — признается Джоан Гомберг из Геологической службы США.

Один из самых опасных очагов сейсмической активности находится, как известно, в Калифорнии. Речь идет о разломе Сан-Андреас. Здесь уже почти полвека можно наблюдать, как одна плита неприметно движется относительно другой, исподволь меняя пейзаж. Впрочем, до недавнего времени ученые не знали, что плиты перемещаются не беспрерывно, а совершают отдельные рывки, пусть и длящиеся месяцами.

Вообще-то здесь, в Калифорнии, часто отмечают настоящие подземные удары, причиняющие немалый ущерб то Сан-Франциско, то Лос-Анджелесу. Но вот к югу от города Сан-Хуан-Баутиста, на участке разлома протяженностью двести километров, царит полное затишье, хотя обе плиты, Северо-Американская и Тихоокеанская, смещаются друг относительно друга на три сантиметра в год. Лишь пробурив скважину глубиной 3000 метров, геофизики Дайана Мур и Майк Раймер из Геологической службы США установили причину странного затишья. Между плитами пролегал слой талька — самого мягкого минерала, встречающегося в природе. Разделенные им громады скользили — не цеплялись друг за друга.

Подобные движения подчиняются своим особым закономерностям, сообщил на страницах того же Nature Сатоси Идэ из Токийского университета. Как оказалось, любые «тихие землетрясения», сопровождает ли их тремор или нет, описываются одной и той же математической формулой. Это отличает их от других сейсмических событий.

Таким образом, они составляют особый класс землетрясений и подчиняются совсем иному физическому механизму. «Во время обычных землетрясений, которые протекают очень быстро, — пишет Дэвид Шелли, — протяженность зоны разлома определяется динамическими напряжениями, ощущаемыми как сейсмические толчки. При «тихих землетрясениях» решающую роль, наоборот, играют статические напряжения, вызванные медленными перемещениями тектонических плит».

Одной разбитой чашки все-таки будет мало?

По мнению Питера Сервелли, после открытия «тихих землетрясений» нужно заново уточнять карту сейсмически опасных регионов. Например, жители Южной Японии десятилетиями ожидали мощного землетрясения, не догадываясь, что здесь напряжение, накапливающееся в земных недрах, быстро разряжается благодаря неприметным движениям плит.

Пока ученые обнаруживают «тихие землетрясения» лишь «под фонарем» — там, где действуют сейсмические станции, оснащенные по последнему слову техники. Ведь даже лучшие приборы могут заметить тот же «тремор» только неподалеку от эпицентра. Интенсивность этих сигналов очень мала, и их трудно отличить от помех. Перемещения же земной коры исчисляются лишь сантиметрами, а то и миллиметрами, и обнаружить их можно только благодаря системе глобальной навигации.

До сих пор этот феномен фиксировали в основном в зонах субдукции — там, где одна литосферная плита погружается под другую. «Тихие землетрясения» наблюдаются на глубине не менее 25 километров, где горные породы сильнее разогреты, чем в верхних слоях земной коры, а потому более пластичны. Длятся они, как уже говорилось, от нескольких дней до месяцев. Все это время плита миллиметр за миллиметром движется, пока словно бы не упрется в какую-то преграду и замрет.

Впрочем, в некоторых районах планеты те же «тихие землетрясения», пишут Хьюстон и Видал, только усиливают опасность мощного подземного толчка. Ведь пока в том или ином месте одна плита будет потихоньку отползать от другой, где-то по соседству напряжение начнет нарастать, а значит, и повышается вероятность мощного землетрясения. В Японии, например, зона «тихих землетрясений» непосредственно примыкает к той области, где периодически отмечают очень сильные подземные толчки.

Ученые, изучающие «тихие землетрясения», — в частности, Дэвид Шелли и Сатоси Идэ, — считают их вестниками сейсмических катастроф, которые впоследствии произойдут. Они полагают, что, наблюдая за этим феноменом, можно оценить напряжения, нарастающие на стыке двух литосферных плит. Судя по статистике, каждые 100 — 600 лет в том регионе, где наблюдаются «Episodic Tremor and Slip», происходит мощное землетрясение, имеющее магнитуду 8 или даже 9, — вроде того, что вызвало цунами в Индийском океане в декабре 2004 года.

Это относится и к тем памятным — только сейсмологам — летним и осенним дням 1999 года, когда по милости стихии на западе США и Канады ни одна чашка не зазвенела, не задребезжала ни одна ложка. Той осенью на участке побережья между Ванкувером и Сиэтлом все завершилось традиционным для Голливуда счастливым финалом, но от этого, как посчитали ученые, стала выше вероятность крупного землетрясения в двух упомянутых здесь городах. Стоит напомнить, что в районе Ванкувера и Сиэтла в последний раз такое наблюдалось триста лет назад. Если это повторится, тогда уж одной разбитой чашки явно будет мало.

По следам великого цунами

Благодаря системе спутниковой навигации собраны данные, свидетельствующие о том, что в акватории Индийского океана — там, где в декабре 2004 года произошло разрушительное землетрясение, участки земной коры продолжают двигаться. Так, к началу 2008 года часть Андаманских островов поднялась почти на треть метра. Кроме того, отмечены значительные боковые смещения земной коры.

По словам американского исследователя Тони Лоури, опубликовавшего свой доклад на страницах Geophysical Research Letters, еще никогда прежде после землетрясения не было зафиксировано таких больших смещений земной коры. Теперь ученые пытаются понять, что собственно происходит в недрах Земли после той памятной катастрофы. По гипотезе Лоури, в районе Андаманских островов наблюдается так называемое «тихое землетрясение»: глубоко в недрах планеты тектонические плиты плавно движутся друг относительно друга, не вызывая заметных толчков.

До сих пор «тихие землетрясения» обнаруживали лишь на границе двух плит, а именно там, где одна плита подныривает под другую, например, у берегов Японии или западного побережья США и Канады. То же самое, кстати, происходит и у берегов Суматры. Известно, что в подобных зонах наблюдаются самые разрушительные землетрясения. Пока еще ученым не ясна связь между «тихими землетрясениями» и последующими катастрофами. Возможно, данные о движении земной коры в акватории Индийского океана помогут понять, что приводит к страшным подземным ударам и как часто они повторяются.