Строение зоны субдукции у берегов Аляски говорит о ее цунамигенности

Рис. 1. Схематический разрез зоны субдукции у берегов Аляски. Океаническая Тихоокеанская плита (коричневая) пододвигается под континентальную Северо-Американскую плиту (оранжевая). Зеленым обозначены направления движения по разлому-сбросу, обнаруженному авторами исследования. Trench — глубоководный желоб, Normal Faulting — нормальный сброс, subducting plate — погружающаяся (океаническая) плита, overriding plate — надвигающаяся (континентальная) плита. Рисунок из пресс-релиза к обсуждаемой статье

Международная группа сейсмологов изучила зону субдукции возле островов Шумагина у берегов Аляски, в которой Тихоокеанская плита погружается под Северо-Американскую континентальную плиту. Ученые обнаружили крутой сброс, отходящий от меганадвига зоны субдукции в тело континентальной плиты. Строение этой зоны похоже на строение сейсмической зоны Тохоку у берегов Японии, где в марте 2011 года произошло мощное подводное землетрясение, вызвавшее разрушительное цунами. До этого зона Тохоку считалась безопасной с точки зрения цунами. Эта работа указывает на то, что подобные цунамигенные структуры в зонах субдукции могут встречаться вдоль всех активных континентальных окраин, поэтому требуются целенаправленные усилия по их выявлению.

Международная группа ученых-геофизиков под руководством сейсмолога Анн Бесель (Anne Bécel) из Обсерватории Земли Ламонт-Доэрти Колумбийского университета опубликовала результаты изучения геологического строения побережья Аляски в районе островов Шумагина — группы островов в восточной части Алеутской гряды, расположенных в 1000 км к юго-западу от Анкориджа. Район относится к так называемой сейсмической зоне Шумагина, считавшейся до этого исследования относительно безопасной с точки зрения вероятности возникновения цунами.

Геофизические исследования проводились при помощи сейсмоакустического метода отраженных волн. Сейсмоакустические методы основаны на изучении скорости распространения звуковых волн от источника возбуждения до сейсмоприемников. В исследовании, о котором идет речь в обсуждаемой статье, источником возбуждения волн была сейсмическая станция, установленная на борту специализированного сейсмологического судна Marcus G. Langseth, а приемные датчики находились на концах 8-километровых кабелей, называемых косами или стримерами (streamer), буксируемых в толще воды вслед за судном.

Сейсмоакустика — основной метод изучения внутреннего строения океанической коры. В однородной среде скорость распространения акустических волн постоянна, но она меняется скачкообразно на границах разнородных сред. Анализируя скорости возвращения отраженных волн (акустическое эхо), можно построить пространственные модели земной коры и определить местоположение отражающих границ. В ходе исследования на основе анализа времени возвращения и степени рассеивания акустического сигнала строились как батиметрические карты поверхности дна, так и разрезы внутреннего строения зоны.

Большинство подводных землетрясений, в том числе цунамигенных (приводящих к возникновению цунами), происходит вдоль активных континентальных окраин, где в зонах субдукции океанические плиты погружаются под континентальные. Если движение плит происходит медленно и равномерно, не сопровождаясь резкими подвижками, риск возникновения цунами минимален. А вот там, где плиты неравномерно проскальзывают друг по другу и периодически происходит их «блокирование», нижняя океаническая плита начинает «утаскивать» верхнюю континентальную плиту или ее отколовшиеся фрагменты за собой. В зоне «блокирования» при этом нарастает напряжение, при достижении критических значений которого происходит срыв: верхняя плита или отколовшиеся от нее краевые блоки высвобождаются вверх, вызывая подъем водных масс (и, как следствие, цунами).

До 2011 года критерий равномерности/неравномерности движения плит в зонах сейсмически активных континентальных окраин и был главным критерием их разделения на цунамигенные и безопасные с точки зрения возникновения цунами. Но в марте 2011 года у берегов Японии, в сейсмической зоне Тохоку, считавшейся до этого нецунамигенной, произошло мощное подводное землетрясение, породившее цунами, в результате которого погибло и пропало без вести больше 18 тысяч человек и были разрушены три ядерных реактора на АЭС Фукусима. Произошедшее было неожиданностью, потому что в зоне Тохоку океаническая плита двигается равномерно, а накапливающиеся напряжения разряжаются в виде частых землетрясений небольшой магнитуды. Но оказалось, что такое поведение плиты не гарантирует безопасности. Тектонические подвижки, вызвавшие цунами, произошли здесь не по плоскости главного меганадвига зоны субдукции, как обычно бывает при цунамигенных землетрясениях, а по разлому-сбросу, отходящему от него.

Японская катастрофа 2011 года заставила ученых скорректировать свои представления о критериях цунамигенности. На примере зоны Тохоку были описаны черты строения потенциально цунамигенных зон, в которых тектонические подвижки, вызывающие образование цунами, могут происходить не по главному меганадвигу (см. Megathrust), являющемуся границей между пододвигающейся океанической плитой и надвигающейся на нее континентальной, а по крутому разлому-сбросу, отходящему от меганадвига вверх (T. Tsuji et al., 2011. Potential tsunamigenic faults of the 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake). Перед научным сообществом встала задача выявления в пределах активных континентальных окраин потенциально цунамигенных зон подобного типа, среди тех, что ранее считались безопасными.

Группа под руководством Анн Бесель, изучив внутреннее строение сейсмической зоны Шумагина, расположенной на активной континентальной окраине, обнаружила здесь все три характерные особенности строения таких потенциально цунамигенных зон: 1) поверхность соприкосновения океанической и континентальной плит неровная (гетерогенная); 2) во фронтальной зоне надвигающейся континентальной плиты формируется клиновидная аккреционная призма, сложенная деформированными осадочными отложениями, собранными в сложные складки; 3) фронтальная клиновидная призма отделена от основной части континентальной плиты скошенным в сторону континента разломом-сбросом, уходящим корнями к границе между континентальной и океанической плитами (главному меганадвигу зоны субдукции). Последний пункт самый важный.

На сейсмоакустических разрезах и батиметрических картах обнаруженная сбросовая структура выглядит как пятиметровый уступ (рис. 2), расположенный в 75 км от глубоководного желоба вверх по континентальному склону, а сам разлом, пересекающий все, даже самые молодые отложения, тянется параллельно берегу Аляски примерно на 150 км, уходя на глубину 30 км, отделяя от основной континентальной плиты клиновидный фрагмент, расположенный во фронтальной части плиты между ней и погружающейся океанической плитой. При любых, даже небольших подвижках по обнаруженному сбросу этот фрагмент может быть выдавлен вверх, что вызовет резкий подъем морского дна и образование цунами.

Рис. 2. a — разрез по одному из сейсмоакустических профилей. Двумя красными стрелками показан выход на поверхность обнаруженного авторами статьи разлома-сброса, фиксирующегося в виде 5-метрового уступа. Красными точками различного размера показаны эпицентры землетрясений разной магнитуды (от 3,0 до 6,8), зафиксированные на расстоянии до 15 км от линии профиля и спроецированные на него. Цветом показана скорость распространения сейсмических волн. Схематизированный разрез по тому же профилю представлен на рис. 1. b — фрагмент батиметрической карты, на котором виден 5-метровый уступ. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

На разрезе (рис. 2, а) видно, что эпицентры большинства мелких землетрясений приурочены к месту сочленения сброса с плоскостью меганадвига на глубине примерно 35 км от поверхности. Это, по мнению авторов, указывает на то, что сбросовая структура является активной и в ее основании постоянно происходят подвижки. Возможно, именно с такой тектонической подвижкой было связано и единственное документально зафиксированное породившее цунами землетрясение в зоне Шумагина, произошедшее в 1788 году и описанное в хрониках первых русских переселенцев на Аляске. Высота волны тогда достигала десяти метров.

Конфигурация сброса, которую авторам удалось выявить при многоканальной сейсмической записи отраженных волн, указывает на то, что это нормальный сброс — разлом, у которого поверхность смещения наклонена в сторону опущенного блока, в данном случае — в сторону континента. Угол этого наклона составляет 40–45°. Подвижки по такому сбросу могут происходить как с вертикальной составляющей в процессе движения плит, так и с горизонтальной — при поперечных движениях вдоль самого разлома. Спровоцировать подвижки могут и землетрясения в соседней с зоной Шумагина сейсмической зоне Семиди, где, по наблюдениям, разрядки тектонических напряжений происходят каждые 50–70 лет.

Исследование показало, что такие структуры, как нормальные сбросы во фронтальной части надвигающейся континентальной плиты, могут присутствовать и в других сейсмических зонах активных континентальных окраин, помимо зоны Тохоку. По мнению авторов, сейчас, когда стало ясно, что такие структуры могут быть цунамигенными, необходимо по возможности провести дополнительные исследования и в других сейсмических окраинных зонах, считавшихся ранее безопасными.

Что касается оценки цумигенного потенциала сброса, выявленной в зоне Шумагина, авторы считают, что смещения по нему могут, в зависимости от динамики развития этой структуры, вызвать как локальное цунами, так и волну транстихоокеанского масштаба.

Источник: Anne Bécel, Donna J. Shillington, Matthias Delescluse, Mladen R. Nedimović, Geoffrey A. Abers, Demian M. Saffer, Spahr C. Webb, Katie M. Keranen, Pierre-Henri Roche, Jiyao Li, Harold Kuehn. Tsunamigenic structures in a creeping section of the Alaska subduction zone // Nature Geoscience. 2017. V. 10. P. 610–613. DOI: 10.1038/ngeo2990.

Владислав Стрекопытов