На вулкане Килауэа на Гавайях малые напряжения суммируются

Вулкан Килауэа на Гавайях — один из самых активных в мире. Его извержение в 2018 году стало крупнейшим за 200 лет и одним из самых дорогостоящих вулканических бедствий в истории США. Разрушительное для гавайского ландшафта, это извержение оказалось благом для науки. Исследователи собрали беспрецедентные сейсмические и другие данные, которые могут помочь понять напряжения, ведущие к крупным землетрясениям.

"Килауэа — это модельная система землетрясений", — сказал Пол Сегалл, ведущий автор нового исследования, опубликованного в Nature Geoscience. Изучение множества землетрясений на Килауэа за короткий период даёт уникальную возможность понять механизмы крупных тектонических землетрясений, например, на разломе Сан-Андреас, интервалы повторения которых составляют сотни или тысячи лет.

Примерно раз в сутки с мая по июль 2018 года кальдера Килауэа — круглый блок твёрдой породы диаметром 8 км и толщиной 800 метров, весом в миллионы тонн — обрушивалась в расположенный ниже резервуар расплавленной породы, порождая ударные волны. Обширные сети мониторинга, дополненные в 2018 году датчиками на самом вулкане, позволили впервые проследить процесс обрушения по стадиям с помощью GNSS-приёмников, наклономеров, камер и дронов.

Учёные смогли оценить напряжения в вулканической системе во время обрушения кальдеры и выявить, как эти напряжения вызывали серии мелких толчков, которые ускорялись и учащались, в конечном итоге завершаясь крупными обрушенческими землетрясениями. Команда сосредоточилась на последних 29 из 62 примерно суточных циклов обрушения. Каждый цикл начинался с оттока магмы, после чего кровля магматической камеры проседала, создавая напряжение на кольцевом разломе, а затем обрушалась на несколько метров, повышая давление в магме и запуская новый цикл.

Исследователи также заметили закономерность: перед обрушением нарастающее напряжение вызывало сотни мелких землетрясений-форшоков. В течение 29 циклов они наблюдали, что чем быстрее нарастает напряжение, тем чаще происходят землетрясения. Непосредственно перед главным толчком частота и интенсивность форшоков резко возрастали, увеличивалась доля более крупных событий.

Это пороговое явление объясняет, как малые приращения напряжения могут приводить к резкому росту вероятности увеличения магнитуды землетрясений. На основе этого учёные предложили модель, согласно которой физическая шероховатость кольцевого разлома создаёт локальные изменения напряжения, которые как инициируют землетрясения, так и препятствуют их росту. Когда общий уровень напряжения становится достаточно высоким, землетрясение может пройти через неблагоприятный участок разлома и вырасти до магнитуды 5.3–5.4.

Это исследование может быть применено для понимания землетрясений в других условиях, например, на разломе Сан-Андреас или в зоне субдукции Каскадия. Хотя прогнозирование землетрясений на его основе пока невозможно, понимание общих физических процессов, связанных с шероховатостью разлома, может быть полезно в других сейсмических системах.