Как притеглянето на Луната предизвиква земетресения: физиката на тектоничния резонанс

На дълбочина от около 30 km литосферните плочи са притиснати една към друга от тежестта на по-горните скални пластове. Налягането в тези нива надвишава няколкостотин мегапаскала, а придвижването на тектоничните блокове се дължи на сили от планетен мащаб. На фона на тези колосални натоварвания гравитационното въздействие на Луната и Слънцето на пръв поглед изглежда незначително. Деформациите на земната кора, предизвикани от океанските и твърдотелните приливи, създават колебания на механичното напрежение с величина едва от 0,1 до няколко kPa. Това е стотици хиляди пъти по-малко от фоновото налягане, което притиска плочите.

Въпреки това сеизмологичните наблюдения от последните две десетилетия неизменно потвърждават наличието на ясна закономерност: най-слабите приливни цикли с периоди от 12 и 24 часа редовно предизвикват размествания на плочите в зоните на субдукция в Тихоокеанския регион, край бреговете на Япония, Северна Америка и Тайван. Става дума за бавни земетресения, продължителни тектонични движения, които протичат без разрушителни удари.

Физичният механизъм на тази връзка дълго време не можеше да бъде описан аналитично. По какъв начин периодичното въздействие с толкова малка амплитуда преодолява съпротивлението на дълбоките слоеве на земната кора и привежда в движение участъци от разломи с дължина от десетки километри?

Космически тригер, свободна интерпретация

Екип от геофизици от Висшето техническо училище в Париж, Френското бюро за геоложки и минни изследвания и Токийския университет публикува в списанието Journal of Geophysical Research математически модел, описващ този процес. Изследователите доказаха, че периодичното преместване по стабилно плъзгащи се разломи възниква вследствие на механичен резонанс, определен от вътрешните свойства на триенето на горните скали.

Разделение на скоростите: специфика на бавните земетресения

За да се разбере физиката на това широко разпространено явление, е необходимо да се направи ясно разграничение между два фундаментални режима на сеизмичност.

Обичайните разрушителни земетресения се образуват в горните, крехки хоризонти на литосферата. Тектоничните плочи в тези области са неподвижно свързани помежду си поради високото триене в покой. В продължение на десетилетия и векове плочите натрупват енергия от еластична деформация. Когато механичното напрежение надвиши границата на якост на контакта, настъпва внезапно динамично разкъсване. Скоростта на разпространение на пукнатината по равнината на разлома достига няколко km/s, а освободената еластична енергия се превръща във високочестотни колебания, които разрушават инфраструктурата на повърхността.

Бавните земетресения възникват по-дълбоко, на границата между крехката кора и пластичната горна мантия, където температурата и хидростатичното налягане са значително по-високи. При тези условия разрушаването на скалите не е експлозивно. Разместването на пластовете се простира във времето в рамките на часове, дни или седмици, а скоростта на относителното движение на скалите остава изключително ниска.

Сейзмолозите регистрират бавните земетресения чрез 2 независими метода Геодезически измервания: сателитни станции за позициониране с висока точност и сондажни деформографи фиксират плавното изместване на участъци от земната кора с милиметри и сантиметри за период от няколко дни до няколко месеца. Тези процеси се наричат събития на бавно плъзгане. Сеизмични наблюдения: високочувствителни сензори регистрират нискочестотните земетресения и невулканичния тектоничен тремор. Тези сигнали нямат ясно определени моменти на пристигане на надлъжните и напречните вълни и представляват непрекъснат шумов сигнал в тесен честотен диапазон от 1 до 10 Hz.

Именно тези дълбоки нискочестотни сигнали демонстрират строга периодичност, съвпадаща с лунните фази и приливните колебания на нивото на океана. Съществуващите по-рано теоретични подходи не даваха отговор на въпроса за механиката на задействането на такива събития. Класическата теория на Дитерих за сеизмичността се основаваше на предпоставката, че разломът е първоначално нестабилен и неизбежно ще се срути сам по себе си, а приливът само леко измества момента на това срутване във времето.

Други концепции твърдяха, че приливът ускорява фоновото плъзгане в съседните области, а те от своя страна предават допълнително напрежение върху блокираните участъци.

Никой от тези модели не обясняваше как безкрайно слабото периодично въздействие е способно самостоятелно да генерира ускорено плъзгане в участък от разлома, който до този момент е бил в състояние на равномерно и спокойно движение.

Законът на триенето: зависимост на съпротивлението от скоростта и времето

В рамките на класическата механика силата на триене се описва като произведение на постоянния коефициент на триене и силата на нормалното притискане. В механиката на разломите този подход не е приложим. Деформацията на контакта между скалните масиви се подчинява на закона за триене, като се отчитат скоростта и състоянието на повърхността на контактите.

Съгласно тази концепция истинският контакт между скалните масиви не се осъществява по цялата геометрична площ на разлома, а само в точките на допир на микроскопичните неравности и изпъкналости на минералите. Съпротивлението при изместването се определя от взаимодействието на два конкуриращи се ефекта:

Пряк скоростен ефект: при внезапно увеличаване на относителната скорост на движение на плочите съпротивлението на триене в същия момент скообразно нараства. Микроизпъкналостите на скалната маса проявяват мигновена еластична реакция на ускорението на срязването. Еволюционен ефект на състоянието: с по-нататъшното придвижване на повърхностите микроконтактите започват да се деформират пластично, да се разрушават и да се преструктурират. За да се обнови напълно състоянието на контакта и да премине в ново равновесие, скалите трябва да се преместят на определено характерно разстояние на плъзгане.

Ако след мигновен скок на съпротивлението силата на триене при изместването спадне под първоначалното ниво, материалът се намира в режим на бързо отслабване на твърдостта. Тези повърхности са потенциално нестабилни: ускорението на плъзгането намалява съпротивлението, което провокира по-нататъшно ускорение.

Сеизмичният срив

Само че дали ще възникне сеизмичен срив в скалата, зависи от еластичната твърдост на околния скален масив. Скалният масив притежава собствена еластичност и при деформация натрупва механична енергия. За всеки контакт съществува строго прагово значение, което е критичната твърдост на разлома. Тя е пряко пропорционална на ефективното налягане, което притиска плочите, и на разликата между коефициентите на укрепване и моментната съпротива, както и обратно пропорционална на характеристичното разстояние на обновяване на микроконтактите.

Ако твърдостта на околния скален масив е по-ниска от критичната стойност, системата губи механична устойчивост: спадът на якостта изпреварва еластичното разтоварване на скалите, което води до възникване на обикновено земетресение.

Ако обаче твърдостта на масива надвиши критичния праг, системата става механично устойчива. При опит за ускорение еластичното напрежение в скалния масив спада по-бързо, отколкото триенето в контакта се намалява. В резултат на това системата се стабилизира принудително, а разломът се включва в режим на устойчиво плъзгане с постоянна скорост, без да предизвиква сеизмични вълни.

Авторите на разглежданото изследване са проучили поведението на такъв устойчив разлом, притежаващ свойство на бързо отслабване на твърдостта, но стабилизиран от еластичността на околните скали, която надвишава критичната твърдост с 10%. При естествени условия подобен участък се движи равномерно и непрекъснато. Само че при наслагване на приливните колебания неговата динамика напълно се променя.

Механичен модел на разлома. Геофизиците са свели сложната зона на контакт между тектоничните плочи до нагледна физическа схема: скален масив се плъзга под постоянното налягане на надлежащите пластове. Еластичните свойства на околния скален масив се моделират от пружина, която се опъва с постоянната скорост на тектоничното движение на плочите. Отгоре и отстрани върху системата се наслагват слаби циклични колебания, причинени от лунните и слънчевите приливи, които периодично променят силата на вертикалното сгъстяване и силата на страничното срязване Формиране на дискретни ритми и субхармоници

В сеизмичните каталози на зоната на субдукция на остров Тайван и на ледените разломи на шелфовия ледник „Рос“ в Антарктида са регистрирани редовни пикове на активност с периоди от 6 и 8 ч. При това в локалните гравитационни приливи тези периоди липсват: гравитационните сили варират строго с полудневни (12 ч) и дневни (24 ч) цикли.

Авторите на изследването са изчислили радиационната ефективност на моделираните земетресения, тоест дела на освободената механична енергия, която се преобразува в еластични сеизмични вълни, а не се разсейва като топлина в резултат на триене.

Изчисленията разкриха дискретна гребеновидна структура на сеизмичния отклик по оста на периодите. Нелинейният характер на уравненията за триене води до това, че при резонанс системата генерира кратни висши хармоници. Разломът самостоятелно трансформира плавната синусоидална приливна вълна с период от 12 ч в серия от фрагментирани импулси на активност с периоди от 6 и 8 ч.

Физическите параметри на дълбоките зони на субдукция

Директното вземане на проби и инсталирането на измервателни уреди на дълбочините, на които възникват бавните земетресения, са невъзможни поради ограниченията на съвременните технологии за дълбоко сондиране. Само че разработеният резонансен модел позволява да се реши обратната геофизична задача: въз основа на известните параметри на приливите и наблюдаваното поведение на бавните земетресения да се изчислят механичните свойства на дълбоките зони на разлома.

Учените откриха, че Луната също упражнява притегляща сила, подобно на Земята

На първо място, моделът определя горната граница на моментната якост на фрикционния контакт. За да могат приливните сили с амплитуда от 0,1 до 100 kPa да предизвикат резонанс, величината на моментната якост на контакта на дълбочина 30 km трябва да бъде в границите от 0,5 до 500 kPa.

Тъй като лабораторните коефициенти на триене на скалните породи са добре известни, тази ниска стойност на якостта означава, че ефективното нормално напрежение, тоест реалната сила, която притиска повърхностите на плочите на дълбочина 30 km, възлиза само на стойности от стотици kPa до няколко MPa. При това литостатичното налягане от теглото на скалните породи на тази дълбочина достига 800 MPa.

Резултатите

Този резултат служи като пряко доказателство за изключително високото налягане на течността в порите в зоните на бавните земетресения. Водата, съдържаща се в минералите на потъващата океанска кора, се отделя при нагряване и остава затворена в изолирани пори и пукнатини. Налягането на тази течност почти изцяло, приблизително 99%, компенсира теглото на належащите скални масиви. В резултат на това плочите се намират в състояние на пределно хидроразтоварване, което прави контакта чувствителен към най-малките външни гравитационни промени в напреженията.

Снимките показват как Луната се върти около Земята. Учените започват да разкриват малкия, но мощен ефект на Луната върху земетресенията на Земята

На второ място, моделът позволява да се изчисли критичното разстояние на плъзгане за дълбоките пластове. При скорост на сближаване на тектоничните плочи от порядъка на 3 cm годишно и стандартен полудневен прилив, установените граници на резонансния прозорец дават стойност на критичното разстояние на плъзгане от 0,6 до 20 µm.

Тази величина съвпада точно със стойностите, получени при лабораторен експеримент върху проби от гранит с полирана повърхност.

Взаимодействието между бавните премествания и катастрофалните разкъсвания

Бавните земетресения не нанасят пряка щета на сградите, но играят изключително важна роля в баланса на тектоничните сили. В зоната на субдукция областта на генериране на бавното плъзгане е разположена непосредствено до блокираните участъци на разломите, тоест онези зони, където се натрупва напрежение за катастрофални земетресения с магнитуд над 8.

Придвижвайки се под действието на приливните сили, преходната зона на разлома не акумулира енергия, а непрекъснато я предава нагоре по наклона на пласта, претоварвайки затворения сеизмогенен участък. Всяко бавно събитие увеличава механичното напрежение върху блокирания сегмент, приближавайки момента на критичния срив.

Математическият модел на френските и японските геофизици превежда анализа на приливната чувствителност на тектоничните плочи в равнината на детерминираните механични изчисления. Способността на приливите да предизвикват локални размествания на пластовете се явява точен физически индикатор, че разломът се намира на границата на устойчивостта, а флуидите в порите създават почти критично налягане. Регистрирането на параметрите на приливния тремор предоставя на геофизиците инструмент за дистанционно измерване на физическите характеристики на дълбоките зони на разломите и за мониторинг на процесите на преразпределение на тектоничните напрежения преди най-силните земетресения.