Массивное извержение вулкана в южной части Тихого океана в 2022 году создало атмосферные волны, которые проникли в земную кору на Аляске по крайней мере на 5 километров, предоставив возможность использовать необычный метод исследования глубоких недр штата.
Кен Макферсон, учёный из Геофизического института Университета Аляски в Фэрбенксе, и другие исследователи проанализировали взаимосвязь атмосферных волн давления с земной поверхностью, чтобы определить скорость, с которой сейсмические волны распространяются через верхнюю кору Аляски.
Свойства подземных материалов
Свойства подземных материалов, такие как твёрдость, которая влияет на скорость сейсмических волн, можно определить, изучив относительную силу входящих волн давления и возникающих сейсмических волн. Представьте себе, что вы дуете на поверхность желе и на противень с тестом для пирожных брауни с одинаковой силой: желе будет дрожать, а тесто — не сильно, потому что материал более жёсткий.
«Волны давления Хунга-Тонга предоставили нам гораздо больше информации о том, как сейсмические волны распространяются на Аляске», — сказал Макферсон.
Исследование Макферсона о скорости сейсмических волн на глубине 30 метров, 2 километров и 5 километров опубликовано в журнале Seismica.
Извержение вулкана Хунга-Тонга–Хунга-Хаапай
Взрывное извержение вулкана Хунга-Тонга–Хунга-Хаапай в Королевстве Тонга, примерно в 6 тысячах миль от Аляски, произошло 15 января 2022 года. Атмосферные волны от извержения были самыми большими из известных после извержения Кракатау в 1883 году.
«Хунга-Тонга был беспрецедентным взрывом в эпоху существования приборов, — сказал Макферсон, работающий в техническом центре Уилсона Аляскинского института. — Эти волны давления сотрясли Аляску, находящуюся на расстоянии 6 тысяч миль, что просто поразительно. И многие из них были длиннопериодными волнами и, следовательно, сотрясли Землю на большую глубину».
Сеть из 150 совмещённых барометров, инфразвуковых датчиков и сейсмометров на Аляске зафиксировала данные извержения, которые использовались в исследовании Макферсона.
Получение информации через воздушно-наземную связь
Получение информации через воздушно-наземную связь на глубине 5 километров — явление нечастое. Это связано с тем, что сейсмические волны, создаваемые таким образом, обычно имеют более короткую длину волны — если только источник энергии не является чем-то действительно огромным.
«Поскольку взрыв Хунга был таким огромным, волны давления, которые преодолели большое расстояние до Аляски, всё ещё были достаточно мощными, чтобы сотрясать Землю, и поэтому идеально подходили для исследования связи», — сказал Макферсон.
Как атмосферная волна сотрясает землю?
Мощные волны давления от извержения вулкана или взрыва создают быстрые изменения давления воздуха, когда они проходят через атмосферу. Когда эти волны давления достигают земли, они толкают и тянут поверхность в процессе, называемом воздушно-наземной связью, который передаёт энергию в недра Земли.
Энергия передаётся через процесс, описанный вторым законом Ньютона, который гласит, что приложенная сила заставляет частицы двигаться, преодолевая их инерцию. Движение частиц создаёт сейсмические волны, содержащие механическую энергию в двух формах: кинетическую энергию от движущихся частиц и упругую энергию от временной деформации земной коры, когда волна проходит через неё.
Исследование скорости может стать дополнительным инструментом для анализа сейсмической опасности, поскольку скорость волны влияет на уровень движения земной поверхности.
«Если распространяющаяся волна находится в глубоком материале и движется быстро, но внезапно сталкивается с более мягким материалом, закон сохранения энергии гласит: „Ну, я двигаюсь медленнее, но у меня всё та же энергия“», — сказал Макферсон. «Это означает, что амплитуды становятся больше, вызывая более сильные колебания».
«Просто знать эти скорости в верхней коре полезно для анализа сейсмической опасности. Это [также] полезно для операторов сетей, таких как Аляскинский центр землетрясений, потому что они могут точно применять скорость коры под конкретной сейсмической станцией, чтобы потенциально повысить точность определения местоположения землетрясений».
Работа Макферсона также может быть особенно полезна в томографии — методе, который сейсмологи используют для создания трёхмерных изображений недр Земли путём анализа того, как сейсмические волны проходят через различные материалы. Томография выявляет изменения таких свойств, как плотность или скорость, помогая учёным составлять карты глубоких недр.
«Чтобы правильно провести томографию, вы должны сделать то, что называется ко́рковой коррекцией, потому что скорости в верхней коре настолько отличаются от более глубоких скоростей, которые вы пытаетесь получить, — сказал он. — Если вы знаете что-то о коре, вы можете применить коррекцию, которая улучшит томографию на десятки и сотни километров».
Соавторами исследовательской работы являются профессор-исследователь Дэвид Фи, постдокторант Стефан Авэндер, доцент Брайант Чоу и сейсмоакустические исследователи Джулианна Колвелл и Сэм Деламер, все из технического центра Уилсона Аляскинского института при Университете Аляски в Фэрбенксе. Мэттью Хэйни из Геологической службы США также является соавтором.
Предоставлено Университетом Аляски в Фэрбенксе.