Законы трения проверены в обрушающемся кратере извергающегося вулкана

30 апреля 2018 года на восточном склоне гавайского вулкана Килауэа лава внезапно ушла из кратера Пу'у'о'о, извергавшегося более трёх десятилетий. После этого дно кратера провалилось. В течение 48 часов лавовое озеро на вершине Килауэа, в 12 милях к северо-западу, начало опускаться по мере оттока магмы. Вскоре новые трещины открылись в 12 милях к востоку от Пу'у'о'о, излившаяся лава покрыла дороги и вызвала пожары. За три месяца извержения было выброшено достаточно лавы, чтобы заполнить 320 000 олимпийских бассейнов, разрушено более 700 домов. Кратер на вершине провалился на 1500 футов.

Это событие предоставило уникальную возможность для исследований. «За все 60 лет современного геофизического инструментального мониторинга вулканов у нас было всего полдюжины обрушений кальдеры», — сказал геофизик из Стэнфордского университета Пол Сегалл, ведущий автор нового исследования в Proceedings of the National Academy of Sciences. Работа помогает объяснить механизм таких событий и находит доказательства, подтверждающие действующую научную парадигму о работе трения на разломах землетрясений.

Ключевым фактором, контролирующим обрушение вулканических кальдер и разрывы сейсмических разломов, является трение. Учёные обычно изучают его в лабораториях на небольших образцах. Сложность заключается в масштабировании этих данных до реальных геологических объектов, таких как разлом Сан-Андреас.

В новом исследовании Сегалл и его соавтор Кайл Андерсон из Геологической службы США (U.S. Geological Survey) проанализировали «проскальзывание и залипание» блока обрушения Килауэа — глыбы коры диаметром пять миль и глубиной полмили — чтобы охарактеризовать трение в гораздо большем масштабе. Кальдера обрушивалась не плавно, а рывками, примерно каждые полтора дня опускаясь почти на восемь футов за секунды. Каждое из 62 таких событий вызывало землетрясение и отслеживалось с точностью до миллиметра сетью из 20 GPS-станций.

Анализ данных подтвердил, что даже в масштабе целого вулкана поведение трения соответствует лабораторным экспериментам. Результаты дают верхнюю границу для важного параметра механики землетрясений — дистанции ослабления при проскальзывании (slip-weakening distance). Моделирование показало, что этот процесс происходит на расстоянии не более 10 миллиметров, что согласуется с лабораторными измерениями.

«Это говорит о том, что мы можем применять измерения с очень маленьких образцов к большим тектоническим разломам, потому что они подтвердились в поведении, которое мы наблюдали при обрушении Килауэа», — отметил Сегалл. Исследование также усложнило предыдущую математическую модель, добавив реалистичное описание перехода между статическим и динамическим трением, который в природе является более сложным и постепенным.