«Пинбол»-модель скольжения разлома заимствует приёмы из математики лавин
Повторные толчки сотрясали центр Тайваня много дней и недель после землетрясения магнитудой 7,7 баллов, произошедшего там в 1999-м. Новая модель землетрясений смогла объяснить различающуюся мощность этих толчков.
Когда соскальзывает разлом, он порождает целую последовательность различных сейсмических волн. Длинные волны низкой частоты могут распространяться на большое расстояние от источника и шатать высокие строения типа небоскрёбов. Высокочастотные волны отлично трясут дома и мосты, а иногда и полностью их разрушают. Большую часть последних пятидесяти лет сейсмологи предполагали, что весь набор этих волн генерирует трение, происходящее при соскальзывании разлома.
Теперь же парочка геологов из Брауновского университета выдала собственную историю происхождения волн. Используя математические модели, вдохновлённые обсчётом обвалов и лавин, исследователи утверждают, что эти разрушительные высокочастотные волны порождает не само соскальзывание, а происходящие внутри разлома геологические процессы, напоминающие игру в пинбол.
«Довольно красиво у них получается, — сказала Элизабет Кокрэн, сейсмолог из Геологической службы США. – Мне бы точно не пришло в голову описывать разлом так, как это сделали они».
Новую модель, опубликованную в прошлом месяце в журнале Geophysical Research Letters, ещё нужно будет испытать на будущих землетрясениях, чтобы увидеть, насколько точно она предсказывает их свойства. Однако в случае подтверждения она перевернёт наше понимание о разрушительных возможностях землетрясений, и, возможно, поможет спасти жизни.
Геологический пинбол
Согласно традиционным моделям землетрясений, когда блок земной коры начинает соскальзывать и тереться об другой, трение между ними порождает сейсмические волны. Сейсмологи признают упрощённость этих моделей по сравнению с реальными процессами, происходящими в районе линии разлома. Однако они точно описывают низкочастотный компонент волнового набора землетрясения – критически важный ранний индикатор магнитуды землетрясения и жизненно необходимую информацию.
Однако традиционные модели не в состоянии объяснить большое количество высокочастотных волн, порождаемых землетрясением, сказала Люсиль Брюхат, эксперт по физике землетрясений из Высшей нормальной школы в Париже, не участвовавшая в этом исследовании. Это становится проблемой, когда вы пытаетесь разобраться, почему определённые трещины оказываются разрушительнее.
Кокрэн утверждает, что традиционные модели связывают эти высокочастотные волны с колебаниями разлома – непредсказуемыми движениями трещины, то возникающими, то затухающими. Однако поскольку физику появления трещин очень сложно изучать, такие предположения нелегко подтвердить. «Нельзя устроить землетрясение в лаборатории», — сказал Роберт Грейвс, геофизик из Геологической службы США, не участвовавший в этом исследовании.
В традиционных моделях высокочастотные волны связывают с колебаниями разлома – непредсказуемыми движениями трещины, то возникающими, то затухающими.
Новая «пинбол»-модель говорит о столкновении друг с другом различных камней, порождающих высокочастотные волны. Размер камней варьируется от нескольких метров в диаметре до футбольного поля.
Длинные волны низкой частоты могут распространяться на большое расстояние от источника и шатать высокие строения вроде небоскрёбов.
Высокочастотные волны отлично трясут дома и мосты, а иногда и полностью их разрушают.
Чтобы точнее разобраться в этих волнах, Виктор Цай и Грег Хирт, двое геологов из Брауновского университета, изучали математику потоков обломков – когда камни различных размеров периодически сталкиваются друг с другом. Затем они применили её к возникающим разломам. Внутри разлома свободного пространства не так много, поэтому происходящее напоминает «набитую шариками машину для пинбола», сказал Цай. Шариками служат камни различного размера, от нескольких метров в диаметре до футбольного поля.
Когда Цай и Хирт добавили это столпотворение к традиционным моделям, полученная комбинация описала как низкочастотные волны, так и их высокочастотные аналоги.
Механизм пинбола в какой-то мере можно считать расширением традиционных представлений о том, что за высокочастотные волны отвечают выступы и комки, расположенные на стенах разлома. Однако Цай и Хирт развили эту идею, разработали особый механизм пинбола и изучили описывающую его точную математику. Они превратили предположение в нечто осязаемое и проверяемое. Они не просто «пытаются заниматься абстрактной наукой, — сказала Брюхат. – Они реально пытаются испытать физическую идею и посмотреть, как она работает».
Камни и твёрдые поверхности
Эта новая модель могла бы помочь решить давние сейсмологические загадки. Например, в 1999 году Тайвань пострадал от смертельно опасного землетрясения магнитудой в 7,7 баллов. Во время повторных толчков некоторые части разлома заново трескались, и земля каждый раз двигалась в одном и том же направлении. Однако магнитуда этих толчков почему-то постоянно менялась.
Традиционные модели не дают удовлетворительных объяснений этому факту. Но согласно новой «пинбол»-модели все эти повторные толчки связаны с тем, что «шарики» одинакового размера бьют в одно и то же место разлома, заставляя землю сдвигаться в одном направлении. Однако некоторые из повторных толчков, вероятно, происходили в результате большего количества одновременных ударов, из-за чего их магнитуда и была выше.
Новая модель также может объяснить, почему землетрясения на зрелых разломах – старых, уже много раз соскальзывавших – обычно приводят к меньшему количеству повреждений, чем землетрясения такой же магнитуды на свежих разломах. Землетрясения первой категории с долгой историей толчков постоянно стачивали свои крупные осколки, из-за чего в них происходит меньше столкновений, а порождаемые высокочастотные волны становятся слабее.
Грейвс говорит, что если модель подтвердится, то учёные смогут тщательно изучать зоны разломов и использовать их геометрию для предсказания разрушительных высокочастотных волн будущих землетрясений. Также эта идея сможет работать и в другую сторону: если модель выдаст более точную характеристику высокочастотного компонента землетрясения, учёные, вероятно, сумеют точнее определить геометрические свойства, отвечающие за толчки, сказала Брюхат.
Потребуется много больше таких каскадов землетрясений, которые наблюдались на Тайване – а также толчков как от зрелых, так и от незрелых разломов – чтобы оценить относительные плюсы и минусы старой и новой моделей. Сейсмологи захотят увидеть, какая из них лучше описывает те наблюдения, что они получат на поверхности.
Однако новая модель выглядит «определённо интригующе, — сказал Грейвс. – Думаю, она правдоподобна и достойна дополнительных испытаний».
«Я и сам сразу признаю, что доказательств того, что эта модель определённо правильная, а старая – определённо неправильная, пока не существует», — сказал Цай. Однако если новые идеи докажут своё превосходство, это заставит сейсмологов «как следует переосмыслить их понимание землетрясений».
