На протяжении 750 миль разлом Сан-Андреас прорезает шрам вдоль и поперек Калифорнии. Здесь две колоссальные тектонические плиты - Североамериканская и Тихоокеанская - сталкиваются друг с другом. Когда эти плиты уступят друг другу и соскользнут, люди, живущие над ними, могут пострадать от разрушительных землетрясений.
Ключи к пониманию этих землетрясений могут находиться внутри опасной зоны разлома, в стеклянных стенах неприметного офисного здания в Менло-Парке, пригороде на полуострове Сан-Франциско. Там находится региональный офис Геологической службы США, хранящей данные об опасности землетрясений. Отчасти благодаря геологам, работающим в этом здании, этот разлом является одним из наиболее изученных на планете.
Однако наше понимание того, как устроена Земля под поверхностью, далеко не полное. Чтобы собрать этот пазл воедино, ученые заглядывают на миллионы лет в прошлое. То, что обнаружили две группы, опубликованные в двух статьях: одна в журнале Science Advances, а другая в журнале Geology, может помочь нам лучше понять, где происходят землетрясения.
Моделирование того, как движутся горы
Менло-Парк находится в тени гор Санта-Крус. Зазубренные, как спина дракона, эти вершины, известные своими виноградниками, отделяют разросшуюся Кремниевую долину от Тихого океана.
В геологическом времени эти горы - малыши: Геологи считают, что горы начали подниматься около 4 миллионов лет назад. Они расположены на "узле", где изгибается разлом Сан-Андреас. Геологи считают, что изгиб подтолкнул горы вверх в результате длинной череды землетрясений. Однако, что именно из землетрясений вызвало этот подъем, остается неясным.
К счастью, ученые района залива уже несколько десятилетий измеряют землетрясения и собирают образцы горных пород. По словам Джорджа Хиллея, геолога из Стэнфордского университета и одного из авторов статьи в журнале Science Advances, не все данные совпадают, но они все равно делают этот район "одной из лучших природных лабораторий для ответа на некоторые из этих вопросов". Эта группа также собрала собственные данные: Они взяли пробы пород на содержание гелия - элемента, который может рассказать геологам, при какой температуре и как давно сформировалась порода.
Разлом Сан-Андреас на равнине Карризо, которая представляет собой малонаселенную долину, расположенную к северо-западу от Лос-Анджелеса. Лаборатория реактивного движения НАСА Используя эти данные, Хилли, один из его аспирантов, Кертис Баден, и их коллеги создали вычислительную модель, одну из первых геологических моделей, опирающуюся на динамическую физику, чтобы продемонстрировать, как формируются горы. Они использовали программное обеспечение, применяемое инженерами для изучения того, как материалы выдерживают различные нагрузки. В результате их модель смогла показать, как горные породы могут изгибаться, ломаться и прогибаться при землетрясениях, вызывающих рост гор.
Их моделирование показало нечто удивительное. "По крайней мере, если верить моделям, большая часть строительства гор может происходить между землетрясениями, а не во время самих землетрясений", - говорит Хилли.
В большинстве разломов движущиеся тектонические плиты пытаются протолкнуть друг друга. В течение многих лет, десятилетий или даже столетий они тихо продолжают толкаться, накапливая энергию на границе.
Неизбежно что-то ломается. Вся эта энергия высвобождается в резком толчке - землетрясении. Но между землетрясениями эта энергия может пойти и на строительство гор, согласно данным моделирования.
И данные этих симуляций, говорят авторы, могут помочь заполнить пробелы, где другие наблюдения не совпадают.
Подвиг археологии землетрясений
Пролетите около ста миль на юго-восток от района залива, в район Национального парка Пиннаклс, и характер разлома Сан-Андреас изменится. Крупные землетрясения здесь происходят не так часто, как на севере или юге, где разлом проходит мимо Лос-Анджелеса, Внутренней империи и Палм-Спрингс.
Это потому, что эта часть разлома Сан-Андреас не похожа на другие. Здесь Североамериканская и Тихоокеанская плиты постоянно проползают друг мимо друга, не создавая напряжения, которое приводит к сильным землетрясениям. Геофизики называют это "ползучим" разломом.
В центральной части штата Сан-Андреас могут происходить относительно безобидные мелкие землетрясения, но в истории не было ни одного крупного землетрясения - по крайней мере, в течение 2000 лет. Но если сегодня центральная часть Сан-Андреас представляет собой ползучий разлом, это не значит, что так было всегда. Ученые хотели отслоить скалы и заглянуть в его прошлое.
Они полагались на биомаркеры: Остатки живых организмов, попавшие в горную породу и химически преобразованные под воздействием высокой температуры. Именно так образуются нефть и природный газ, и охотники за ископаемым топливом хорошо знакомы с идеей использования биомаркеров в качестве инструмента поиска.
"Мы взяли эту идею и перевернули ее с ног на голову", - говорит Хизер Сэвидж, сейсмолог из Калифорнийского университета в Санта-Крузе и автор статьи в журнале Geology. "Если в зонах разломов есть органические молекулы, то во время землетрясения они будут испытывать сильный нагрев всего несколько секунд, но они могут стать очень горячими, поэтому мы должны увидеть, что некоторые из этих реакций все же происходят".
Бурясь глубоко, почти на 10 500 футов (3 200 метров) под поверхностью, эти ученые обнаружили биомаркеры, указывающие на довольно бурную историю. Этот спокойный разлом когда-то разрывался мириадами землетрясений. Ученые обнаружили свидетельства по меньшей мере 100 землетрясений, некоторые из которых могли достигать 7 баллов по шкале Рихтера: они были сильнее, чем землетрясения в Лома Приета в 1989 году и Нортридж в 1994 году на памяти Калифорнии.
Осадочная порода, подвергшаяся структурным изменениям во время землетрясения, как видно в микроскоп. Зеленый слой был нагрет при сползании разлома. Келли Брэдбери/Университет штата Юта"Насколько нам известно, до этой работы мы не знали, что так далеко в ползучей части будут происходить такие сильные землетрясения", - говорит Сэвидж.
Эти землетрясения могли произойти от нескольких тысяч до 3,2 миллиона лет назад; Сэвидж и ее коллеги сейчас пытаются установить более точную дату этих землетрясений. Но это знак того, что этот разлом уже далеко не так спокоен, как могло показаться. Если в прошлом он мог вызвать сильные разрывы, значит, существуют условия для того, чтобы разрыв произошел снова.
От сейсмологии к сейсмической модернизации
Понимание истории разлома Сан-Андреас - это не только создание картины того, как выглядела Калифорния, когда миллионы лет назад по земле бродили наземные ленивцы и саблезубые кошки. Разлом проходит через два крупнейших городских района Северной Америки, и его землетрясения подвергают риску десятки миллионов людей.
Геологи надеются, что за стенами офиса Геологической службы США их исследования помогут лучше оценить, как землетрясения могут угрожать зданиям и жизни людей.
Когда специалисты по тектонике оценивают опасность землетрясений на определенной территории, они рассматривают несколько различных типов данных: спутниковые измерения формы Земли, картины землетрясений в прошлом или долгосрочную историю разлома. Иногда - как, например, сегодня в горах Санта-Круз - эти данные не согласуются друг с другом. Хиллей надеется, что модель его группы сможет примирить эти разногласия, показав, как эти данные связаны с одними и теми же процессами.
А исследование центрального участка Сан-Андреас может добавить нюансы в модели риска для Центральной Калифорнии. "Мне бы хотелось думать, что наша работа может проинформировать о том, что, на самом деле, мы действительно наблюдаем землетрясения, и свидетельства многих землетрясений на этом участке", - говорит Сэвидж.