Южная Калифорния расположена в зоне одной из самых активных и внимательно изучаемых разломных сетей США. Землетрясения возникают там, где участки земной коры смещаются относительно друг друга, застревают и постепенно накапливают напряжение. Когда эта накопленная энергия высвобождается, происходит подземный толчок.
Две ключевые разломные системы региона — Сан-Андреас и Сан-Хасинто — вместе обеспечивают значительную часть тектонических подвижек в Южной Калифорнии. К северо-востоку от Лос-Анджелеса они сближаются в районе перевала Кахон — сложного геологического узла, где разрыв, распространяющийся по одному разлому, при определённых условиях может перейти на другой. Это важно, поскольку в регионе Большого Лос-Анджелеса не было сопоставимого сильного землетрясения с 1857 года, когда произошло событие магнитудой 7,9 у форта Техон. За долгий период затишья тектоническое напряжение вдоль части разломной системы продолжало расти, порождая вопросы о том, как может развиваться будущий крупный разрыв.
Новое исследование под руководством доктора Лилиан Буркхард из отдела космических исследований и планетарных наук Физического института Бернского университета позволило взглянуть на эту угрозу на гораздо более длительном отрезке времени. Международная команда смоделировала около 1000 лет сейсмической активности вдоль южных разломов Сан-Андреас и Сан-Хасинто, чтобы оценить уровень напряжения, сосредоточенного сейчас в районе перевала Кахон. В работе также участвовали учёные из Гавайского университета в Маноа, Центра сейсмологических исследований Геологической службы США в Пасадене и Института океанографии Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего. Согласно полученным результатам, тектоническое напряжение в отдельных частях системы достигло, а местами превысило максимальные значения за всю 1000-летнюю историю модели. Перевал Кахон исследователи описывают как «сейсмические ворота» — разломный узел, который может определять, останется ли крупное землетрясение в пределах одного разлома или продолжится по обеим системам. Работа опубликована в Journal of Geophysical Research: Solid Earth.
Чтобы восстановить картину изменения напряжения за столетия, учёные разработали физическую четырёхмерную модель сейсмического цикла. Она воспроизводит процессы в трёх измерениях пространства и одновременно учитывает изменения разломной системы во времени. В модель была заложена 1000-летняя летопись прошлых землетрясений, собранная по данным радиоуглеродного датирования, необычным узорам в годичных кольцах деревьев и историческим записям о разрывах, вышедших на поверхность. «Модель отслеживает, как каждое землетрясение меняет напряжение на соседних сегментах разлома, как оно накапливается в спокойные промежутки между событиями и как глубинные слои коры медленно расслабляются после крупных разрывов, — поясняет Буркхард. — Эта симуляция позволяет понять, как напряжения в разломной системе накапливаются за столетия. Воспроизводя историю землетрясений Южной Калифорнии в виде модели, мы можем оценить, насколько система уже напряжена сегодня». По расчётам, напряжение в регионе сейчас находится на самом высоком уровне за последнюю тысячу лет.
Один из главных выводов исследования касается поведения разрыва при подходе к перевалу Кахон. Этот узел не работает как простой барьер: в зависимости от состояния напряжения на окружающих разломах он может либо остановить разрыв, либо пропустить его с одной системы на другую. Прошлые землетрясения демонстрируют оба варианта. Во время события 1857 года у форта Техон разрыв остановился у перевала Кахон и не перешёл на разлом Сан-Хасинто. Напротив, землетрясение 1812 года в Райтвуде прошло через узел и разорвало обе системы в рамках одного сквозного события. «Концепция сейсмических ворот отражает важную особенность работы разломных узлов, — объясняет Буркхард. — Перевал Кахон не просто блокирует или направляет землетрясения: он реагирует на состояние напряжения, а оно меняется на протяжении столетий».
Уровень напряжения на отдельном разломе — лишь часть картины. Исследователи выяснили, что особое значение имеет соотношение напряжения на двух разломных системах. Если оба разлома оказываются сильно напряжены одновременно, условия становятся благоприятнее для того, чтобы разрыв пересёк перевал Кахон и продолжился по обеим системам. Если же напряжение растёт в разное время, разрыв скорее остановится у узла. Сейчас модель показывает напряжение на сегменте Сан-Хасинто — Бернардино на уровне 3,6 МПа, что выше любого значения за 1000-летнюю симуляцию. МПа означает мегапаскали — единицу измерения давления и механического напряжения. На соседнем сегменте Мохаве-Саут разлома Сан-Андреас расчётное напряжение достигло 2,8 МПа. Это значит, что оба сегмента несут необычно высокую и относительно близкую нагрузку. По словам исследователей, такая конфигурация напоминает условия, наблюдавшиеся в модели перед прошлыми разрывами, которые пересекали обе разломные системы. «Настораживает не только то, что напряжение достигает исторических максимумов, — говорит Буркхард, — но и то, что относительные уровни напряжения между двумя системами приближаются к диапазону, который мы связываем с крупными разрывами, одновременно пересекающими оба разлома, а это сценарий с гораздо более серьёзными последствиями для региона».
Разрыв, который пересёк бы перевал Кахон и затронул и Сан-Андреас, и Сан-Хасинто, мог бы охватить значительно большую территорию, чем землетрясение в пределах одного разлома. В зоне риска находятся одни из самых густонаселённых и зависимых от инфраструктуры районов страны, включая Большой Лос-Анджелес, Сан-Бернардино, Риверсайд и долину Коачелла. Сам перевал Кахон представляет собой крупный транспортный и инфраструктурный коридор: через него проходят шоссе, железные дороги и энергетические объекты, что делает этот узел важным не только с геологической точки зрения, но и для планирования действий в чрезвычайных ситуациях. «Вопрос о том, когда и как произойдёт следующее крупное землетрясение в этом регионе, — одна из самых острых проблем прикладной геонауки. Наши результаты дают более ясную, основанную на физике картину текущего напряжённого состояния разломной системы, а разработанный нами подход применим не только к Калифорнии, но и к другим сложным разломным узлам по всему миру», — отмечает Буркхард.
Исследователи подчёркивают, что их выводы не следует воспринимать как прогноз даты землетрясения. Даже при высоком напряжении в разломах учёные не могут точно определить, когда произойдёт разрыв. Вместо этого модель помогает выявить, какие сценарии землетрясений физически возможны при текущем состоянии разломной системы. «Исследование не является предсказанием того, когда случится землетрясение, — подчёркивает Буркхард. — Мы можем сказать, что система находится в критическом напряжении, а физические модели вроде нашей дают более ясное представление о спектре сценариев, к которым следует готовиться. Эта информация важна для оценки опасности, планирования инфраструктуры и готовности к чрезвычайным ситуациям».