Сейсмический двигатель Калифорнии: тектонические силы, которые формируют риск землетрясения

Калифорния является одним из самых сейсмически активных регионов на Земле, и эта реальность коренится в фундаментальном геологическом факте: государство находится непосредственно на границе главной плиты. Постоянное, медленное столкновение и скольжение тектонических плит создают напряжения, которые производят все, от незаметных подземных толчков до катастрофических землетрясений. Понимание того, как эти движения плит приводят к сейсмическому риску, имеет важное значение не только для ученых, но и для миллионов жителей, которые живут с возможностью следующего большого потрясения. В этой статье рассматривается тектонический механизм под Калифорнией, основные системы разломов, которые он заряжает энергией, и что это означает для сейсмических опасностей по всему штату.

Основной движущей силой сейсмичности Калифорнии является граница между Тихоокеанской плитой и Североамериканской плитой . Тихоокеанская плита движется на северо-запад относительно Североамериканской плиты со скоростью примерно от 30 до 50 миллиметров в год — примерно с той же скоростью, с которой растут ваши ногти. За время жизни человека это составляет до нескольких метров накопленного напряжения вдоль разломов. Когда этот штамм внезапно высвобождается, земля разрывается и происходит землетрясение. Это не случайный процесс; он следует предсказуемым физическим законам, которые исследователи в таких учреждениях, как Программа геологической службы США по изучению опасности землетрясений интенсивно изучают для улучшения прогнозов и оценок опасности.

Система разломов Сан-Андреас: где встречаются две пластины

Разлом Сан-Андреас является самой известной тектонической особенностью в Северной Америке, и не зря. Он образует первичную границу между Тихоокеанской и Североамериканской плитами, простираясь примерно на 1200 километров от Калифорнийского залива до тройного соединения Мендосино в море северной Калифорнии. Этот разлом не является ни одной чистой трещиной в земной коре; это зона нескольких связанных друг с другом нитей разломов, которые вместе обеспечивают движение плиты.

Тихоокеанская плита движется на северо-запад, измельчая североамериканскую плиту вдоль Сан-Андреас. Сама по себе разлом является правосторонним поперечным разломом, что означает, что если вы стоите на одной стороне и смотрите поперек разлома, противоположная сторона движется вправо. Это движение компенсировало геологические особенности огромных расстояний в течение миллионов лет. Например, вулканическое образование Национального парка Пиннаклс в центральной Калифорнии первоначально было частью того же вулканического поля, что и вулканическая формация Нинах возле Ланкастера — теперь разделено почти 315 километрами смещения вдоль системы разломов.

Геофизики делят его на несколько сегментов, основываясь на истории землетрясений и скорости скольжения:

  • Северный сегмент — От тройного соединения Мендосино на юг до Паркфилда. Этот участок имеет историю крупных землетрясений, в том числе землетрясение в Сан-Франциско магнитудой 7,9 1906 года. Сегмент заперт в одних участках и ползет в других.
  • Центральный (Creeping) сегмент — От Паркфилда до чуть южнее Холлистер. Здесь разлом скользит постоянно и непрерывно, производя много небольших землетрясений, но редко сохраняя достаточно энергии для крупного разрыва. Этот асейсмический ползучесть снижает опасность локально.
  • Южный сегмент — От Паркфилда на юг до Солтон-Си. Этот участок был закрыт более 300 лет и считается просроченным для крупного землетрясения. Южный Сан-Андреас вызвал повторные крупные землетрясения, в том числе землетрясение магнитудой 1857 года 7,9 Форт-Теджон.

Каждый сегмент ведет себя по-разному из-за изменений типа породы, давления жидкости и геометрии зоны разлома.Страница разлома USGS San Andreas предоставляет подробные карты и последние данные мониторинга для каждого сегмента.

Эластичный отскок: двигатель землетрясений

Концепция, которая объясняет, как движение плит порождает землетрясения, называется теорией эластичного отскока, впервые сформулированной после землетрясения 1906 года геологом Гарри Филдингом Ридом. Теория проста: по мере того, как тектонические плиты движутся друг мимо друга, камни по обе стороны разлома деформируются упруго — они изгибаются как пружина. Сам разлом остается заблокированным трением. В течение десятилетий или столетий эластичный штамм накапливается. Когда напряжение, наконец, превышает силу трения разлома, камни возвращаются к своей первоначальной форме, высвобождая накопленную энергию в виде сейсмических волн.

Этот процесс объясняет, почему землетрясения являются периодическими, а не непрерывными.Чем дольше сегмент разлома остается заблокированным и накапливается напряжение, тем больше вероятность возможного землетрясения, хотя точное время зависит от многих факторов, включая скорость загрузки от движения плиты, наличие жидкостей и влияние близлежащих землетрясений, которые могут передавать стресс.

За пределами Сан-Андреаса: другие крупные системы разломов Калифорнии

Пока Сан-Андреас получает наибольшее внимание, Калифорния перекрыта сотнями активных разломов, многие из которых способны производить разрушительные землетрясения. Эти разломы вмещают плиточно-граница деформации, которая распределена по зоне шириной в сотни километров, не сконцентрированной на одной структуре.

Хейворд Виноват

Разлом Хейворда проходит вдоль восточной базы залива Сан-Франциско, проходя непосредственно через города Окленд, Беркли, Фремонт и Сан-Хосе. Он считается одним из самых опасных разломов в Соединенных Штатах, потому что он проходит через густонаселенные городские районы. Разлом Хейворда является правосторонним разломом скольжения удара, который движется примерно на 9 миллиметров в год. Палеосейсмические исследования показали, что крупные землетрясения происходят на разломе Хейворда примерно каждые 140-180 лет, и последнее крупное событие было в 1868 году - магнитуда 6,8, которая уничтожила большую часть Хейворда и Сан-Леандро. С разломом, который сейчас находится в его предполагаемом окне повторения, следующее большое землетрясение может быть неизбежным в геологическом плане.

Сан-Хасинто виноват

Эта система разломов в Южной Калифорнии является наиболее сейсмически активной в штате. Она проходит от Солтон-Морского моря на северо-запад через округа Сан-Бернардино и Риверсайд, прежде чем слиться с Сан-Андреасом около перевала Каджон. Разлом Сан-Хасинто движется со скоростью около 12-20 миллиметров в год и производит частые умеренные землетрясения. Он способен разрываться в диапазоне магнитуд от 7,0 до 7,5 и представляет значительную угрозу для региона Внутренней империи.

Виноваты Калаверы

Расположенный к востоку от залива Сан-Франциско, разлом Калаверас соединяется с Сан-Андреасом на его северном конце и проходит на юг через Плезантон, Ливермор и Холистер. Он движется примерно на 6-10 миллиметров в год и исторически вызывал землетрясения магнитудой от 6,0 до 6,5. Землетрясение Морган-Хилл 1984 года (магнитуда 6,2) произошло на этом разломе.

Элсинор и Гарлок разломы

Разлом Эльсиноре проходит через Сан-Диего, Риверсайд и Оранжевые округа, представляя значительную опасность в Южной Калифорнии. Разлом Гарлока образует границу между пустыней Мохаве и Сьерра-Невадой, и это левосторонний разлом — противоположное чувство движения от большинства разломов Калифорнии. Он может вызывать землетрясения в диапазоне магнитуд от 7,0 до 7,5 и, как полагают, механически взаимодействовать с системой Сан-Андреас, потенциально вызывая или модулируя разрывы.

Геометрия плит и вторичные опасности

Тектоническая установка Калифорнии более сложна, чем простая граница удара-скольжения. Граница плит также включает зоны сходимости и расширения, которые производят дополнительные типы землетрясений и вторичные опасности.

Слепые шторы и слепые шторы

В регионах, где тихоокеанские и североамериканские плиты наклонно сжимаются, особенно в бассейне Лос-Анджелеса и поперечных хребтах, компрессионные силы создают разломы сжатия, когда один блок коры выталкивается вверх над другим. Многие из этих разломов «слепые», что означает, что они не достигают поверхности, что затрудняет их обнаружение до их разрыва. Землетрясение магнитудой 6,7 Нортридж 1994 года произошло на разломе слепой тяги и вызвало повреждение в 20 миллиардов долларов, потому что его местоположение было неизвестно до события.

Эти разломы тяги производят сильное вертикальное движение земли, которое может быть особенно разрушительным для зданий, и они могут генерировать цунами, если они смещают морское дно вблизи побережья.

сжижение

Во время землетрясения насыщенные водой песчаные почвы могут вести себя как жидкость — процесс, называемый сжижением. Это явление особенно опасно в районах, построенных на свалке, речных отложениях или прибрежных отложениях. Землетрясение в Лома-Приете 1989 года вызвало сильное сжижение в районе Марина в Сан-Франциско, где здания затонули, наклонились и рухнули. Карты опасности сжижения Калифорнийской геологической службы показывают, что большая часть периметра залива Сан-Франциско, бассейна Лос-Анджелеса и Центральной долины находятся под угрозой.

оползни

Строгая местность через Калифорнию — особенно в Береговых хребтах, Сьерра-Неваде и Поперечных хребтах — уязвима к спровоцированным землетрясением оползням. Встряхивание может дестабилизировать склоны холмов, посылая камни, почву и обломки, каскадирующие вниз. Землетрясение Сан-Фернандо 1971 года вызвало тысячи оползней в горах Сан-Габриэль, а землетрясение Нортриджа 1994 года вызвало более 11 000 оползней на площади 10 000 квадратных километров.

Циклы землетрясений и интервалы рецидивов

Ученые используют палеосейсмологию — исследование доисторических землетрясений, сохранившихся в геологической летописи — для оценки частоты прошлых землетрясений на заданном разломе. Путем выкапывания траншей через линии разломов и датирования смещенных слоев осадка исследователи могут реконструировать историю разломов разрывов. Эти данные сообщают интервалы рецидивов , среднее время между крупными землетрясениями на конкретном сегменте разлома.

Например, южный разлом Сан-Андреас близ Райтвуда имеет средний интервал рецидивов примерно от 100 до 150 лет, последний крупный разрыв произошел в 1857 году. Разлом Хейворда имеет интервал рецидивов примерно от 140 до 180 лет, а его последнее событие произошло в 1868 году.Эти статистические данные свидетельствуют о том, что оба разлома приближаются или находятся в пределах своих типичных окон рецидивов, хотя ученые подчеркивают, что интервалы рецидивов являются средними, а не прогнозами.

Вероятности землетрясений выражаются с помощью зависящей от времени модели вероятности землетрясений, которая учитывает время с момента последнего землетрясения и скорость загрузки от движения плиты.Чем дольше неисправность остается тихой, тем больше напряжение накапливается, и тем выше вероятность отказа. Южный Калифорнийский центр землетрясений публикует обновленные прогнозы разрыва землетрясений, которые включают эти модели.

Зона субдукции: связь Каскадия

Хотя большая часть опасности землетрясения в Калифорнии исходит от границы плиты Тихого океана и Северной Америки, самая северная часть штата сталкивается с другой угрозой: зона субдукции Каскадия . Оффшор от северной Калифорнии до Британской Колумбии, плита Хуан-де-Фука ныряет под североамериканской плитой. Эта зона субдукции генерирует самые большие землетрясения на континенте — магнитуда 9,0 и выше — наряду с разрушительными цунами.

Последнее землетрясение мегатруса Каскадии произошло в 1700 году и вызвало цунами, обрушившееся на Японию, а также на тихоокеанское северо-западное побережье. Северная прибрежная Калифорния, включая Полумесяц-Сити и Эврику, уязвима как к тряске, так и к цунами, вызванному событием в Каскадии. Интервал повторения этих гигантских землетрясений составляет примерно 400-600 лет, то есть следующее может произойти в любое время.

Мониторинг и раннее предупреждение

Калифорния вложила значительные средства в инфраструктуру сейсмического мониторинга.Калифорнийская интегрированная сейсмическая сеть, партнерство между USGS, Caltech, Калифорнийским университетом в Беркли и другими учреждениями, эксплуатирует сотни сейсмометров по всему штату. Эти инструменты обнаруживают землетрясения в течение нескольких секунд, и данные поступают в систему раннего предупреждения о землетрясениях ShakeAlert, которая может отправлять оповещения на мобильные телефоны и автоматизированные системы до того, как произойдет сильнейшее встряхивание.

ShakeAlert использует тот факт, что электронные сигналы движутся быстрее сейсмических волн. Когда начинается землетрясение, сеть обнаруживает начальные Р-волны (которые быстры, но менее разрушительны) и вычисляет местоположение землетрясения, величину и ожидаемую интенсивность встряхивания. Предупреждение может прибыть за секунды до десятков секунд, прежде чем S-волны (более медленные, повреждающие волны) достигнут населенных районов. Это время выполнения позволяет людям укрываться, поезда замедляться и критическая инфраструктура автоматически отключаться.

GPS и InSAR мониторинг

Помимо сейсмометров, ученые используют сети Глобальная система позиционирования (GPS) для измерения медленной деформации земной коры между землетрясениями. Сотни станций GPS по всей Калифорнии записывают движения на миллиметровом уровне земли, показывая, где накапливается напряжение и какие сегменты разломов заблокированы по сравнению с ползучими. Интерферометрический радар синтетической апертуры (InSAR) использует спутниковые радиолокационные изображения для картирования деформации земли на широких участках, обеспечивая всеобъемлющий обзор того, как деформируется граница плиты.

Эти измерения имеют решающее значение для обновления моделей вероятности землетрясений и выявления ранее неизвестных структур разломов.

Жизнь с риском землетрясений: готовность и смягчение

Тектонические плиты являются неизбежным фактом жизни в Калифорнии. Те же силы, которые создали драматические ландшафты штата — прибрежные хребты, Центральная долина, Сьерра-Невада — являются силами, которые производят землетрясения. Хотя плиты не могут быть остановлены, ущерб от землетрясений может быть уменьшен за счет планирования, инженерии и государственного образования.

Строительные коды и реконструкция

В Калифорнии одни из самых строгих сейсмических строительных норм в мире. Здания, построенные после 1970-х годов, как правило, спроектированы так, чтобы выдерживать умеренное и сильное встряхивание без разрушения. Однако старые структуры, особенно неукрепленные здания каменной кладки, многоэтажные многоквартирные дома (со слабыми цокольными этажами, используемыми для парковки или розничной торговли) и здания с наклоном бетона, остаются уязвимыми. Государство поручило программы модернизации, и многие города предлагают финансовые стимулы для владельцев недвижимости, чтобы укрепить свои здания.

Личная готовность

Для людей наиболее эффективным шагом является подготовка заранее. Геологическая служба США и государственные службы по чрезвычайным ситуациям рекомендуют закреплять тяжелую мебель и технику на стенах, зная, как отключить газовые линии, собирать комплекты аварийного питания с водой, едой и медицинскими принадлежностями и разрабатывать план семейной связи. Процедура «Бросать, покрывать и держаться» остается стандартной реакцией безопасности во время тряски.

Устойчивость сообщества

Помимо индивидуальных действий, сообществам необходимо укреплять инфраструктуру - дороги, мосты, водопроводы, энергосети и сети связи - чтобы основные услуги могли быть быстро восстановлены после крупного землетрясения. Калифорнийское управление по землетрясениям предоставляет страховые полисы, а многие коммунальные службы внедрили системы сейсмического отключения и автоматизированные инструменты оценки ущерба.

Геологическое будущее

За миллионы лет продолжающееся движение Тихоокеанской плиты относительно Северной Америки коренным образом изменит географию Калифорнии. Часть Калифорнии к западу от разлома Сан-Андреас движется на северо-запад со скоростью около 30—50 миллиметров в год. Через 15—20 миллионов лет Лос-Анджелес станет пригородом Сан-Франциско. Через 60 миллионов лет щепка Калифорнии к западу от разлома будет транспортироваться в окрестности Аляски.

В человеческом масштабе времени непосредственная задача состоит в том, чтобы сосуществовать с планетой, которая все еще геологически активна. Тот же тектонический двигатель, который строит горы, расширяет океаны и создает минеральные месторождения, также генерирует землетрясения. Подход Калифорнии - суровая наука, продуманная инженерия и широкое общественное образование - предлагает модель для жизни в гармонии с беспокойной Землей.

Чем больше мы понимаем, как тектонические плиты формируют опасность землетрясений в Калифорнии, тем лучше мы оснащены для снижения человеческих и экономических затрат на неизбежное следующее крупное землетрясение. Оставаться в курсе, оставаться готовым и поддерживать постоянные инвестиции в мониторинг и смягчение последствий являются наиболее эффективными стратегиями для устойчивости перед лицом мощных геологических сил планеты.