Медленное землетрясение — это прерывистое, похожее на землетрясение событие, которое высвобождает энергию в течение периода от нескольких часов до нескольких месяцев, а не от нескольких секунд до нескольких минут, характерных для типичного землетрясения. Впервые обнаруженные с помощью долгосрочных измерений деформации, [1] большинство медленных землетрясений теперь, по-видимому, сопровождаются потоком жидкости и связанным с ним дрожанием, [2] которое можно обнаружить и приблизительно локализовать с помощью данных сейсмометра, отфильтрованных соответствующим образом (обычно в диапазоне 1–5 Гц). То есть они тихие по сравнению с обычным землетрясением, но не «тихие», как описывалось в прошлом. [3]
Медленные землетрясения не следует путать с землетрясениями-цунами , в которых относительно медленная скорость разрыва создает цунами, несоразмерное вызвавшему его землетрясению. При землетрясении-цунами разрыв распространяется вдоль разлома медленнее, чем обычно, но высвобождение энергии происходит в том же масштабе времени, что и при других землетрясениях.
Землетрясения происходят вследствие постепенного увеличения напряжения в регионе, и как только оно достигает максимального напряжения, которое могут выдержать породы, возникает разрыв, и результирующее движение землетрясения связано с падением напряжения сдвига системы. Землетрясения генерируют сейсмические волны, когда происходит разрыв в системе, сейсмические волны состоят из различных типов волн, которые способны перемещаться по Земле, как рябь по воде. [4] Причины, которые приводят к медленным землетрясениям, были исследованы только теоретически, путем образования продольных сдвиговых трещин, которые были проанализированы с помощью математических моделей. Учитываются различные распределения начального напряжения , скользящего трения напряжения и удельной энергии разрушения. Если начальное напряжение за вычетом скользящего трения напряжения (по отношению к начальной трещине) низкое, а удельная энергия разрушения или прочность материала земной коры (по отношению к величине напряжения) высокие, то медленные землетрясения будут происходить регулярно. [5] Другими словами, медленные землетрясения вызваны различными процессами скачкообразного скольжения и ползучести, промежуточными между хрупким и пластичным разрушением, контролируемым неровностями . [ требуется ссылка ] Неровности — это крошечные выпуклости и выступы вдоль поверхностей трещин. Они лучше всего документируются на промежуточных уровнях земной коры определенных зон субдукции (особенно тех, которые падают неглубоко — юго-западная Япония, Каскадия, [6] Чили), но, по-видимому, встречаются и на других типах разломов , в частности на границах сдвиговых плит, таких как разлом Сан-Андреас и нормальные разломы «мегаоползня» на склонах вулканов. [6]
Разломы происходят по всей Земле; разломы могут включать сходящиеся , расходящиеся и трансформные разломы и обычно возникают на краях плит. По состоянию на 2013 год [update]некоторые из мест, которые недавно изучались на предмет медленных землетрясений, включают: Каскадия , [6] Калифорния, Япония, Новая Зеландия, Мексика и Аляска. Места медленных землетрясений могут дать новое представление о поведении обычных или быстрых землетрясений. Наблюдая за местоположением толчков, связанных с медленным скольжением и медленными землетрясениями, сейсмологи могут определить протяженность системы и оценить будущие землетрясения в районе исследования. [4]
Теруюки Като выделяет различные типы медленных землетрясений: [7]
Низкочастотные землетрясения (LFE) — это сейсмические события, определяемые волновыми формами с периодами, намного превышающими периоды обычных землетрясений, и часто возникающие во время медленных землетрясений. [8] LFE могут иметь вулканическое, полувулканическое или тектоническое происхождение, [9] но здесь описываются только тектонические LFE или LFE, образующиеся во время медленных землетрясений. Тектонические LFE характеризуются, как правило, низкими магнитудами (M<3) и имеют пиковые частоты между 1 и 3 Гц. [10] Они являются крупнейшей составляющей невулканического дрожания в зонах субдукции, а в некоторых случаях являются единственной составляющей. [8] В отличие от обычных землетрясений, тектонические LFE происходят в основном во время длительных событий скольжения на интерфейсах субдукции (в некоторых случаях до нескольких недель), называемых событиями медленного скольжения (SSE). [11] [12] Механизм, ответственный за их генерацию в зонах субдукции, — это скольжение в направлении надвига вдоль переходных сегментов интерфейса плит. [13] LFE являются высокочувствительными сейсмическими событиями, которые, вероятно, могут быть вызваны приливными силами, а также распространяющимися волнами от удаленных землетрясений. [8] LFE имеют гипоцентры, расположенные вниз по падению от сейсмогенной зоны , [14] области источника мегавзбросовых землетрясений. Во время SSE фокусы LFE мигрируют вдоль простирания на интерфейсе субдукции совместно с первичным фронтом сдвигового скольжения. [8]
Глубина возникновения низкочастотных землетрясений находится в диапазоне приблизительно 20–45 километров в зависимости от зоны субдукции, и на более мелких глубинах в сдвиговых разломах в Калифорнии. [15] В «теплых» зонах субдукции, таких как западное побережье Северной Америки, или на участках восточной Японии эта глубина соответствует переходной или переходной зоне скольжения между заблокированными и стабильными интервалами скольжения на границе плит. [16] Переходная зона расположена на глубинах, приблизительно совпадающих с континентальным разрывом Мохоровичича . [8] В зоне субдукции Каскадия распределение LFE образует поверхность, примерно параллельную межкоровым сейсмическим событиям, но смещенную на 5–10 километров вниз по падению, что свидетельствует о том, что LFE генерируются на границе плит.
Низкочастотные землетрясения являются активной областью исследований и могут быть важными сейсмическими индикаторами для землетрясений с большей магнитудой. [8] Поскольку были зарегистрированы события медленного скольжения и соответствующие им сигналы LFE, ни одно из них не сопровождалось землетрясением мега-взрыва, однако SSE действуют, увеличивая напряжение в сейсмогенной зоне, заставляя заблокированный интервал между субдуцирующей и перекрывающей плитой приспосабливаться к движению вниз по падению. [17] [8] Некоторые расчеты показывают, что вероятность возникновения большого землетрясения во время события медленного скольжения в 30–100 раз больше фоновых вероятностей. [17] Понимание сейсмической опасности, которую могут предвещать LFE, является одной из основных причин их исследования. Кроме того, LFE полезны для томографической визуализации зон субдукции, поскольку их распределения точно отображают глубокий контакт плит вблизи разрыва Мохоровичича . [18] [19]
Низкочастотные землетрясения были впервые классифицированы в 1999 году, когда Японское метеорологическое агентство (JMA) начало дифференцировать сейсмическую сигнатуру LFE в своем каталоге сейсмичности. Открытие и понимание LFE в зонах субдукции отчасти объясняется тем фактом, что сейсмические сигнатуры этих событий были обнаружены вдали от вулканов. [20] До их открытия события толчков такого типа в основном были связаны с вулканизмом , где толчки генерируются частичным сцеплением текущих магматических жидкостей. [20] Японские исследователи впервые обнаружили «низкочастотный непрерывный толчок» вблизи вершины погружающейся плиты Филиппинского моря [21] [20] в 2002 году. После первоначальной интерпретации этих сейсмических данных как толчков, вызванных дегидратацией, исследователи в 2007 году обнаружили, что данные содержали множество волновых форм LFE или роев LFE. [11] До 2007 года считалось, что толчки и LFE являются отдельными событиями, которые часто происходят вместе, но в настоящее время LFE считаются крупнейшим компонентом, формирующим тектонический толчок . [11] LFE и SSE часто наблюдаются в зонах субдукции на западе Северной Америки, в Японии, Мексике, Коста-Рике, Новой Зеландии, а также в неглубоких сдвиговых разломах в Калифорнии. [8]
Низкочастотные землетрясения не проявляют того же сейсмического характера, что и обычные землетрясения, а именно потому, что у них отсутствуют отчетливые импульсивные объемные волны. Вступления P-волн от LFE имеют настолько малые амплитуды, что их часто трудно обнаружить, поэтому, когда JMA впервые выделила уникальный класс землетрясений, это было в первую очередь путем обнаружения вступлений S-волн, которые были возникающими. [16] Из-за этого обнаружение LFE практически невозможно с помощью классических методов. Несмотря на отсутствие важных сейсмических идентификаторов, LFE могут быть обнаружены при низких пороговых значениях отношения сигнал-шум (SNR) с помощью передовых методов сейсмической корреляции. Наиболее распространенный метод идентификации LFE включает корреляцию сейсмической записи с шаблоном, созданным на основе подтвержденных форм волн LFE. [10] [12] [8] Поскольку LFE являются такими тонкими событиями и имеют амплитуды, которые часто заглушаются фоновым шумом, шаблоны создаются путем наложения похожих форм волн LFE для уменьшения SNR. Шум снижается до такой степени, что в сейсмической записи можно искать относительно чистую форму волны, и когда коэффициенты корреляции считаются достаточно высокими, обнаруживается LFE. [12] Определение ориентации скольжения, ответственного за LFE и землетрясения в целом, выполняется методом первого движения P-волны. P-волны LFE, при успешном обнаружении, имеют первые движения, указывающие на компрессионное напряжение, что указывает на то, что скольжение в направлении толчка отвечает за их генерацию. [13] Однако извлечение высококачественных данных P-волн из волновых форм LFE может быть довольно сложным, и, кроме того, важно для точного определения глубины гипоцентра. Обнаружение высококачественных вступлений P-волн является недавним достижением благодаря развертыванию высокочувствительных сетей сейсмического мониторинга. Глубина возникновения LFE обычно определяется по вступлению P-волн, но также была определена путем картирования эпицентров LFE относительно геометрии субдуцирующей плиты. [10] Этот метод не различает, был ли наблюдаемый LFE запущен на границе плиты или внутри самой нисходящей плиты, поэтому требуется дополнительный геофизический анализ, чтобы определить, где именно находится фокус. Оба метода показывают, что LFE действительно запущены на контакте плиты. [22] [13] [10]
Зона субдукции Каскадия простирается от северной Калифорнии примерно до середины острова Ванкувер и является местом, где плиты Хуан-де-Фука, Эксплорер и Горда перекрыты Северной Америкой. В зоне субдукции Каскадия LFE преимущественно наблюдаются на границе плит вниз по падению сейсмогенной зоны. [23] [10] В южной части зоны субдукции от широт 40° с. ш. до 41,8° с. ш. низкочастотные землетрясения происходят на глубинах от 28 до 47 километров, [15] тогда как дальше на север около острова Ванкувер диапазон сокращается примерно до 25–37 километров. [10] Этот глубинный участок зоны субдукции был классифицирован некоторыми авторами как зона «транзиентного скольжения» или «переходная» из-за ее эпизодического поведения скольжения [16] и ограничен по падению и падению «запертой зоной» и «зоной стабильного скольжения» соответственно. Переходный участок скольжения Каскадии отмечен высокими отношениями Vp/Vs (скорость продольной волны, деленная на скорость поперечной волны) и обозначен как зона низкой скорости (LVZ). [10] [23] Кроме того, LVZ имеет высокие коэффициенты Пуассона , определенные с помощью телесейсмических волновых наблюдений. [22] Эти сейсмические свойства, определяющие LVZ, были интерпретированы как область повышенного давления нисходящей плиты с высоким давлением поровой жидкости. [15] [22] Наличие воды на границе субдукции и ее связь с образованием LFE полностью не изучены, но гидролитическое ослабление контакта горных пород, вероятно, важно. [8]
В то время как мегаземлетрясения (M>8) неоднократно наблюдались в неглубоких участках (глубина <25 км) зоны субдукции Каскадия , [24] недавно было обнаружено, что низкочастотные землетрясения происходят на больших глубинах, вниз по падению сейсмогенной зоны. Первый индикатор низкочастотных землетрясений в Каскадии был обнаружен в 1999 году, когда асейсмическое событие произошло на интерфейсе субдукции, когда преобладающая североамериканская плита сдвинулась на 2 сантиметра на юго-запад в течение нескольких недель, как зафиксировано сайтами Глобальной системы позиционирования (GPS) [24] в Британской Колумбии. Это кажущееся медленное событие скольжения произошло на площади 50 на 300 километров и заняло приблизительно 35 дней. Исследователи подсчитали, что энергия, высвобождаемая в таком событии, будет эквивалентна землетрясению магнитудой 6–7, однако никакого существенного сейсмического сигнала обнаружено не было. [24] Асейсмический характер события привел наблюдателей к выводу, что скольжение было вызвано пластической деформацией на глубине. [24] После дальнейшего анализа записи GPS было обнаружено, что эти события обратного скольжения повторяются с интервалом в 13–16 месяцев и длятся от 2 до 4 недель на любой станции GPS. [25] Вскоре после этого геофизики смогли извлечь сейсмические сигнатуры из этих медленных событий скольжения и обнаружили, что они были похожи на тремор [26] и классифицировали это явление как эпизодическое дрожание и скольжение (ETS). С появлением улучшенных методов обработки и открытием того, что LFE являются частью тремора, [11] низкочастотные землетрясения стали широко считаться обычным явлением на границе плиты вниз по падению сейсмогенной зоны в Каскадии.
Низкочастотные толчки в зоне субдукции Каскадия тесно связаны с приливной нагрузкой. [27] Ряд исследований в Каскадии обнаружили, что пиковые сигналы низкочастотных землетрясений чередуются с нахождения в фазе с пиковой скоростью приливного напряжения сдвига на нахождение в фазе с пиковым приливным напряжением сдвига, [28] предполагая, что LFE модулируются изменениями уровня моря. События сдвигового скольжения, ответственные за LFE, поэтому весьма чувствительны к изменениям давления в диапазоне нескольких килопаскалей.
Открытие LFE берет свое начало в Японии в Нанкайском желобе и частично связано с общенациональным сотрудничеством сейсмологических исследований после землетрясения в Кобе в 1995 году. Низкочастотные землетрясения в Японии впервые были обнаружены в условиях субдукции, где плита Филиппинского моря субдуцирует в Нанкайском желобе около Сикоку . Исследователи наблюдали низкочастотные непрерывные толчки, которые первоначально интерпретировали как результат реакций дегидратации в субдуцирующей плите. [21] Источник этих толчков находился на средней глубине около 30 километров, и они были распределены вдоль простирания интерфейса субдукции на протяжении 600 километров. [20] Подобно Каскадии, эти низкочастотные толчки происходили с медленными скольжениями, которые имели интервал повторения примерно 6 месяцев. [29] Позднее открытие LFE, формирующих тремор [11], подтвердило широкое распространение LFE в зонах субдукции Японии, и LFE широко наблюдаются и, как полагают, возникают в результате SSE.
Распределение LFE в Японии сосредоточено вокруг субдукции плиты Филиппинского моря, а не Тихоокеанской плиты дальше на севере. [18] Это, вероятно, связано с разницей в геометрии субдукции между двумя плитами. Филиппинская плита в Нанкайском желобе субдуцирует под более мелкими общими углами, чем Тихоокеанская плита в Японском желобе , [30] тем самым делая Японский желоб менее подходящим для SSE и LFE. LFE в Японии имеют гипоцентры, расположенные вблизи самой глубокой части переходной зоны, по падению от сейсмогенной зоны. [18] Оценки глубины залегания сейсмогенной зоны около Токая, Япония, составляют 8–22 километра, как определено термическими методами. [31] Кроме того, LFE происходят в диапазоне температур 450–500 °C в Токае, что указывает на то, что температура может играть важную роль в образовании LFE в Японии. [31]
Очень низкочастотные землетрясения (VLF) можно считать подкатегорией низкочастотных землетрясений, которые различаются по продолжительности и периоду. VLF имеют магнитуду приблизительно 3-3,5, продолжительность около 20 секунд [8] и дополнительно обогащены низкочастотной энергией (0,03–0,02 Гц). [32] VLF в основном происходят с LFE, но обратное неверно. Существуют две основные зоны субдукции, где были обнаружены VLF, 1) в пределах прибрежной аккреционной призмы и 2) на границе плит вниз по падению сейсмогенной зоны. Поскольку эти две среды имеют значительно разные глубины, их назвали неглубокими VLF и глубокими VLF соответственно. [8] Как и LFE, очень низкочастотные землетрясения мигрируют вдоль простирания во время событий ETS. [32] VLF были обнаружены как в зоне субдукции Каскадия на западе Северной Америки, [33], так и в Японии в прогибе Нанкай и впадине Рюкю. [34]
VLF образуются в результате механизмов обратного сброса [35] , подобных LFE.
События медленного скольжения (SSE) являются долгоживущими событиями сдвига скольжения на интерфейсах субдукции и физическими процессами, ответственными за генерацию медленных землетрясений. Это эпизоды медленного смещения в направлении толчка, которые могут иметь продолжительность до нескольких недель, и поэтому называются «медленными». [8] Во многих случаях интервал повторения событий медленного скольжения является удивительно периодическим и сопровождается тектоническим дрожанием, побуждая сейсмологов называть его эпизодическим дрожанием и скольжением (ETS). В Каскадии период повторения SSE составляет приблизительно 14,5 месяцев, но варьируется вдоль границы зоны субдукции. [36] В регионе Сикоку на юго-западе Японии интервал короче и составляет приблизительно 6 месяцев, что определяется изменениями наклона земной коры. [29] Некоторые SSE имеют продолжительность более нескольких лет, как, например, SSE Токай, которое длилось с середины 2000 по 2003 год. [37]
Локус смещения медленного скольжения распространяется вдоль простирания субдукционных интерфейсов со скоростью 5–10 километров в день во время медленных землетрясений в Каскадии [38] , и это распространение отвечает за аналогичную миграцию LFE и дрожание.
Медленные землетрясения могут быть эпизодическими (относительно движения плит), и поэтому в некоторой степени предсказуемыми, явление, называемое в литературе «эпизодическим дрожанием и скольжением» или «ETS». События ETS могут длиться неделями, в отличие от «обычных землетрясений», происходящих в течение нескольких секунд. Несколько событий с медленными землетрясениями по всему миру, по-видимому, спровоцировали крупные, разрушительные сейсмические землетрясения в более мелкой коре (например, 2001 Nisqually , 1995 Antofagasta ). И наоборот, крупные землетрясения вызывают «постсейсмическую ползучесть» в более глубокой коре и мантии. [39]
Каждые пять лет под столицей Новой Зеландии Веллингтоном происходит землетрясение такого типа, длящееся год . Впервые оно было зафиксировано в 2003 году, а затем повторилось в 2008 и 2013 годах. [40] Оно длится около года каждый раз, высвобождая столько же энергии, сколько землетрясение магнитудой 7.