Новое моделирование разлома Сан-Андреас показало экстремальные колебания почвы при землетрясении

Исследователи проекта CyberShake представили новое поколение сейсмических расчётов для Северной Калифорнии, которое даёт один из самых тревожных прогнозов о том, каким может быть следующее крупное землетрясение на системе разломов Сан-Андреас. Согласно трёхмерному моделированию, при разрыве магнитудой 8 и выше пиковое ускорение почвы может достичь 2,28 силы тяжести, а скорость колебаний — 6,7 метра в секунду. Наиболее сильные движения ожидаются вдоль разлома через горы Санта-Крус, к югу от Сан-Франциско, где геологическая структура и направление распространения разрыва создают условия для максимальной концентрации сейсмической энергии.

Расчёты, известные как CyberShake Study 24.8, представляют собой масштабную симуляцию, охватывающую 315 точек в районе залива Сан-Франциско. В отличие от традиционных уравнений, оценивающих колебания на основе магнитуды, расстояния и общих геологических условий, CyberShake моделирует сейсмические волны, проходящие через детализированную модель земной коры Северной Калифорнии. Для каждого местоположения генерируются сотни тысяч сценариев землетрясений, что позволяет учитывать направление разрыва, подповерхностную структуру, осадочные бассейны и локальные геологические особенности.

Значение полученных цифр трудно переоценить. Пиковая скорость почвы 670 сантиметров в секунду и ускорение 2241 сантиметр в секунду в квадрате — это экстремальные значения, способные создавать колоссальные нагрузки на здания, мосты и инженерные сооружения, оказавшиеся вблизи наиболее сильных участков разрыва. Особое беспокойство вызывает местоположение этой зоны: горы Санта-Крус находятся непосредственно к югу от густонаселённого полуострова Сан-Франциско и вблизи городов, протянувшихся от Сан-Хосе к побережью.

Ключевым фактором, выявленным в моделировании, является направленность разрыва. Крупные разломы не высвобождают энергию одинаково во всех направлениях. Когда разрыв начинается, он может распространяться вдоль разлома в сторону определённого района, концентрируя сейсмическую энергию и усиливая колебания именно в этом направлении. Разломы Северной Калифорнии, имеющие сдвиговую природу, обычно ориентированы с северо-запада на юго-восток, что создаёт условия, при которых направление разрыва сильно влияет на то, какие населённые пункты получат наиболее интенсивные толчки.

CyberShake даёт значительно более сильные эффекты направленности в Северной Калифорнии, чем аналогичные моделирования в Южной Калифорнии. Системы разломов, включая Хейворд, Роджерс-Крик и Маакама-Гарбервилл, имеют схожую ориентацию, а смоделированная земная кора позволяет сейсмической энергии оставаться относительно сфокусированной по мере распространения разрывов. При моделировании разрыва магнитудой 7,55 на разломе Маакама-Гарбервилл эффекты направленности проявились во всех исследованных длиннопериодных диапазонах, а при максимальных скоростях разрыва усиление становилось особенно сильным.

Глубокие осадочные бассейны создают ещё одну концентрацию опасности. Карты CyberShake показывают усиление длиннопериодных колебаний к востоку от залива Сан-Пабло и вокруг бассейна Ливермор. Сейсмические волны, входящие в эти глубокие структуры, заполненные осадками, могут усиливаться и задерживаться, увеличивая колебания по сравнению с окружающей более твёрдой породой. В центре бассейна Ливермор глубина, на которой скорость поперечных волн достигает одного километра в секунду, составляет примерно 1,47 километра, а глубина достижения скорости 2,5 километра в секунду — около 4,38 километра. Эта толща медленного материала способна существенно изменять сейсмические волны.

Особый парадокс возникает вокруг самого залива Сан-Франциско. Модель даёт более низкие значения опасности непосредственно у береговой линии, чем традиционные методы, однако это может быть следствием технического ограничения — модель не позволяет использовать реальные скорости поперечных волн для мягких приповерхностных отложений. В действительности скорость в илистых грунтах залива может падать до 80 метров в секунду, что значительно ниже минимального порога в 400 метров в секунду, заложенного в текущей симуляции. Очень мягкие осадки способны сильно усиливать сейсмические колебания, и их исключение из модели означает, что опасность для прибрежных районов, вероятно, занижена. Будущие версии CyberShake, как ожидается, понизят этот порог до 250 метров в секунду или менее.

Стоит отметить, что даже с этими ограничениями проверка модели на землетрясении Лома-Приета 1989 года показала, что CyberShake воспроизводит зарегистрированные колебания точнее, чем стандартные уравнения. Это землетрясение магнитудой 6,9, несмотря на то что произошло южнее Сан-Франциско, вызвало серьёзные разрушения по всему району залива, что делает его важным эталоном.

Эти расчёты не дают прогноза о том, когда произойдёт следующее крупное землетрясение. Однако они показывают, что в нескольких важных районах Северной Калифорнии сейсмическая опасность может оказаться более суровой, чем предполагают традиционные модели. Трёхмерная структура коры, направленность разрыва и осадочные бассейны совместно создают картину, в которой зоны экстремальных колебаний оказываются привязанными не только к самому разлому, но и к сложным геологическим условиям, до сих пор не полностью учтённым в оценках риска.