Учёные объяснили, как притяжение Луны и Солнца может запускать медленные землетрясения
Гравитация Луны и Солнца создаёт в земной коре настолько слабые периодические напряжения, что их величина составляет всего несколько килопаскалей. Тем не менее на некоторых разломах даже такого воздействия оказывается достаточно для запуска медленных землетрясений. Новая модель показала возможный механизм: разлом становится особенно чувствительным, когда период приливной нагрузки совпадает с характерным временем его собственной реакции — возникает эффект, напоминающий резонанс.
Исследование провели специалисты Высшей нормальной школы в Париже, французского Бюро геологических и горных исследований и Токийского университета. Учёные использовали упрощённую модель разлома типа «пружина — блок» и модель трения, учитывающую скорость скольжения и то, как со временем меняется состояние поверхности разлома.
Луна и Солнце вызывают не только знакомые океанские приливы. Их гравитация немного деформирует и твёрдую Землю, периодически изменяя напряжения в горных породах. Эти колебания невелики — обычно всего несколько килопаскалей, что авторы сравнивают с давлением лёгкого нажатия рукой. Однако наблюдения уже показывали связь таких приливных напряжений с медленным скольжением и тектоническим тремором в некоторых активных зонах.
В частности, приливная модуляция медленного скольжения и низкочастотных землетрясений наблюдалась в зоне субдукции Каскадия на северо-западе Северной Америки, на разломе Сан-Андреас и в зонах субдукции Японии. При этом обычные землетрясения в целом демонстрируют намного более слабую связь с приливами, а во многих регионах она вообще статистически не обнаруживается.
Новая работа объясняет, почему одинаково слабое внешнее воздействие способно заметно влиять только на некоторые разломы. В модели исследователи рассматривали устойчиво скользящий участок, где трение уменьшается с ростом скорости, но система находится чуть выше порога самопроизвольной неустойчивости. Такой разлом сам по себе может продолжать медленно двигаться, однако сравнительно небольшое внешнее изменение напряжения способно резко увеличить скорость скольжения.
Ключевым оказался не только размер приливного воздействия, но и его продолжительность. Если период изменения напряжения приближался к собственному характерному времени реакции разлома, скорость скольжения усиливалась намного сильнее. Авторы называют этот эффект резонансоподобным. Его можно сравнить с раскачиванием качелей: небольшие толчки, приложенные с подходящим ритмом, постепенно вызывают гораздо более сильное движение.
Таким образом, слабая приливная сила не создаёт землетрясение из ничего. Она может стать последним внешним толчком для участка разлома, механические свойства которого уже делают его крайне чувствительным к небольшим изменениям нагрузки.
Численные эксперименты показали, что поведение системы в основном определяется двумя параметрами — относительной амплитудой приливного напряжения и его периодом по сравнению с внутренним временем реакции разлома. При небольшой амплитуде разлом может продолжать относительно спокойное скольжение. С увеличением воздействия модель переходила к более выраженным событиям, включая более быстрые эпизоды скольжения.
Изменялся и момент возникновения события относительно приливного цикла. При одних параметрах максимальная скорость скольжения приходилась примерно на максимум приливного напряжения. При других разлом реагировал раньше — ближе к моменту, когда напряжение изменялось наиболее быстро. Это может объяснить, почему реальные тектонические треморы в разных регионах демонстрируют разные зависимости от фаз прилива.
Модель также позволяет связать наблюдаемую приливную чувствительность с физическими характеристиками самого разлома. Полученные авторами допустимые режимы указывают, что эффективная величина, характеризующая мгновенную фрикционную прочность особенно чувствительного контакта, может находиться в диапазоне десятков или сотен килопаскалей, а характерное расстояние скольжения, необходимое для изменения трения, — иметь масштаб микрометров.
Это открывает обратный способ изучения глубинных разломов. Положение Луны и Солнца и создаваемые ими приливные нагрузки можно рассчитать с высокой точностью. Если сопоставить их с моментами возникновения большого количества медленных землетрясений, характер реакции разлома потенциально позволит оценивать его механические свойства, которые невозможно измерить непосредственно на глубине.
Особый интерес представляют зоны субдукции, где одна тектоническая плита погружается под другую. Именно там широко распространены медленные землетрясения — события, при которых накопленное напряжение высвобождается в течение часов, дней или даже недель вместо секунд. Человек обычно их не ощущает, однако они дают информацию о состоянии границы между плитами и перераспределении напряжений.
Медленные землетрясения исследуют и из-за их возможной связи с областями, способными породить крупные мегаземлетрясения. Однако новая работа не позволяет использовать фазы Луны или Солнца для предсказания разрушительных событий. Модель описывает чувствительность определённого типа разломов к слабому периодическому воздействию и не показывает, что приливы сами способны запускать крупные землетрясения произвольного разлома.
Есть и другое существенное ограничение. Исследователи моделировали только один идеализированный участок разлома. Реальные зоны субдукции состоят из множества взаимодействующих участков с разными свойствами, геометрией, давлением флюидов и распределением напряжений. Поэтому модель лучше подходит для объяснения повторяющихся локальных низкочастотных землетрясений и медленного скольжения, чем сложного разрушения большого разлома.
Тем не менее работа предлагает физическое объяснение давно известному парадоксу: как приливные силы величиной всего несколько килопаскалей могут заметно влиять на процессы в земной коре, где тектонические напряжения значительно выше. Решающее значение может иметь не абсолютная сила внешнего воздействия, а совпадение его ритма с собственным временем реакции уже чувствительного участка разлома.
Исследование в журнале Journal of Geophysical Research: Solid Earth.