Исследования в Японском жёлобе
В глубинах Японского жёлоба — на глубине семи километров под уровнем моря — скрыты ключи к разгадке некоторых из самых мощных землетрясений и цунами на Земле.
С сентября по декабрь 2024 года в рамках экспедиции 405 Международной программы по изучению океана (IODP) была организована четырёхмесячная миссия у берегов Японии. На борту крупнейшего в мире научного бурового судна «Chikyu» 60 учёных совместно с опытными бурильщиками извлекли глубоководные керны отложений из-под морского дна.
Учёные, среди которых были седиментологи, геохимики, микропалеонтологи, структурные геологи, геофизики и палеомагнитологи, пробурили зону разлома, где ранее уже работала одна экспедиция. Экспедиция IODP 405, также известная как JTRACK (Tracking Tsunamigenic Slip Across the Japan Trench), стала второй миссией по глубокому бурению в этом районе.
На этот раз учёные достигли и взяли образцы деколльмента — базального отслоения разлома, который разорвался во время разрушительного мегаземлетрясения 2011 года в Тохоку. Собранные керны помогут учёным лучше понять, как возникают такие мощные землетрясения.
11 марта 2011 года мегаземлетрясение в Тохоку произошло у северо-восточного побережья Японии, вызвав катастрофическое цунами. Землетрясение магнитудой 9,1 стало одним из самых мощных, когда-либо зарегистрированных, и самым смертоносным стихийным бедствием в современной истории Японии.
Более 18 000 человек погибли. Землетрясение серьёзно повредило АЭС «Фукусима»; ущерб составил около 235 миллиардов долларов США. Учёные были удивлены не масштабами землетрясения, а местом наибольшего смещения плит, которое его вызвало: не глубоко под землёй, а прямо под морским дном, в самой мелкой части границы плит.
Разрыв произошёл вдоль Японского жёлоба, где Тихоокеанская плита погружается под Охотскую плиту. До этого считалось, что этот неглубокий участок зон субдукции смещается медленно и тихо. Но во время события в Тохоку смещение составило более 50 метров на разломе, который разорвал морское дно, вытеснив огромные объёмы воды и породив разрушительное цунами.
Во время экспедиции IODP 405 учёные поставили перед собой задачу понять условия, при которых возможны такие цунами. Японский жёлоб предоставляет естественную лабораторию для изучения фундаментальных процессов цунамигенных землетрясений, вызывающих мощные цунами.
На борту «Chikyu» операции проводились круглосуточно. Каждые три часа на палубу прибывал новый керн — длинный цилиндрический архив памяти Земли. Как седиментологи, мы сразу же приступили к работе, заглядывая через прозрачные вкладыши с фонариками, сканируя на наличие следов песка, вулканического пепла или чего-либо, намекающего на прошлые геологические события.
Каждый керн рассказывал главу истории, написанной за миллионы лет. Слои за слоями они раскрывали последовательность нарушенных, раздробленных или деформированных отложений и пород. Некоторые содержали смектит — скользкий глинистый минерал, известный тем, что снижает трение вдоль разломов. Именно такие материалы могут позволить тектоническим плитам легко смещаться, даже на небольших глубинах у морского дна — именно такая обстановка могла привести к землетрясению, вызывающему цунами.
Одним из самых волнующих моментов стало попадание в слои кремня — твёрдой, стеклянной породы, которая отмечает переход от глубоководных осадков к океанической коре. Мы достигли зоны деколльмента — самой границы, где одна тектоническая плита погружается под другую.
В лаборатории, вскрывая керны, учёные обнаружили нечто ещё: красиво полосатые цветные глины, окрашенные в насыщенные оттенки шоколада, ванили и карамели — естественную палитру, созданную геологическими процессами глубоко внутри Земли.
Каждый новый керн поступал в плотно скоординированный рабочий процесс: сканировался с помощью компьютерной томографии высокого разрешения, тестировался на физические и химические свойства, затем разрезался пополам. Одна половина тщательно сохранялась в постоянном архиве, а другая тщательно изучалась и отбиралась для анализа учёными из разных стран и дисциплин.
Моё исследование сосредоточено на осадочной характеристике прошлых землетрясений и цунами. На «Chikyu» я искал отложения, называемые последовательностями гомогенита-турбидита. Они образуются, когда землетрясение сотрясает морское дно, вызывая подводный оползень (турбидит), а затем медленный дождь из мелких частиц, поднятых цунами (гомогенит). Эти последовательности представляют собой геологические капсулы времени, помогающие нам оценить, как часто в прошлом происходили гигантские землетрясения.
«Chikyu» вернулся на исходный участок, пробуренный вскоре после землетрясения 2011 года. Это дало нам нечто редкое в геологии: возможность наблюдать, как разлом эволюционировал за более чем десятилетие. Мы установили скважинный обсерваторий, более глубокий и продвинутый, чем любой другой в этом регионе.
В ближайшие годы он будет мониторить температуру и поток жидкости в реальном времени, давая нам представление о живой, дышащей динамике мегаразлома. Используя эти данные, учёные будут моделировать условия землетрясений с помощью численных моделей или экспериментов, чтобы проверить, как эти породы реагируют под давлением. Они проанализируют химический состав жидкостей, захваченных внутри разлома, и используют передовые инструменты регистрации для построения детальной картины внутренней архитектуры разлома.
Другие, как я, сосредоточатся на осадочной летописи, расшифровывая прошлые события, чтобы лучше понять частоту землетрясений и цунами.
Японский жёлоб — не единичный случай. Зоны субдукции по всему миру, от Чили до Аляски и Индонезии, представляют аналогичные риски, часто расположенные недалеко от густонаселённых регионов. Если там также может произойти неглубокое смещение, то наши текущие модели и стратегии готовности должны развиваться соответствующим образом.
Наша цель — не только понять, почему произошло землетрясение в Тохоку в 2011 году, но и помочь подготовиться к следующему. Улучшая оценку опасности цунами и углубляя наше понимание поведения разломов при мегаземлетрясениях, мы способствуем повышению глобальной устойчивости.
Экспедиция IODP 405 знаменует собой важную веху в науке о землетрясениях и цунами. В ближайшие годы данные из новой скважиной обсерватории, наряду с лабораторными экспериментами и анализом отложений, предоставят беспрецедентную информацию о том, как развиваются эти разломы и как мы можем лучше предвидеть и смягчать последствия будущих землетрясений мегаразлома.