Внутриплитные промежуточные землетрясения в Восточной Антарктиде объяснили деформацией литосферы

Множество очагов слабых внутриплитных землетрясений на глубинах более 70 километров обнаружили сейсмологи с помощью методов машинного обучения на краю Восточной Антарктиды, под ледником Дэвида. В отчете об исследовании, опубликованном в Science, ученые сообщили, что нижняя часть литосферной плиты здесь существенно деформирована. На ее границе концентрируются тектонические напряжения, сброс которых и приводит к сейсмическим подвижкам.

Области, удаленные от границ литосферных плит и зон внутриконтинентального рифтогенеза, считаются относительно спокойными в тектоническом отношении. Поэтому найти причины внутриплитной сейсмической активности непросто, особенно когда очаги землетрясений располагаются ниже 70 километров. Эти события сравнительно редки ― например, большинство землетрясений с очагами на глубинах от 70 до 300 километров (в сейсмологии они называются промежуточными) привязаны к современным субдукционным системам на границах плит. Обусловлены они тектоническими процессами и дегидратацией в верхней части сейсмофокальной зоны, которая образуется при погружении одной плиты под другую. Внутриплитные же промежуточные землетрясения могут объясняться различными причинами: перераспределением напряжений, отрывом части слэба в зоне палеосубдукции, отслоением и погружением части континентальной литосферы. Механизм таких событий не связан с хрупким разрушением пород. В верхней мантии из-за высоких давлений и температур сейсмические сдвиги могут генерироваться (раз и два) в условиях вязкой ползучести, например, при локальном повышении температуры.

Дополнительные проблемы в изучении внутриплитных промежуточных землетрясений возникают из-за недостаточного развития мониторинговых сетей вдали от регионов, признанных сейсмоопасными, притом что магнитуды большинства из них не превышают величины 5,0. Поэтому такие сейсмические толчки трудно идентифицировать, локализовать и определить их механизм. Некоторых успехов в этом сейсмологи смогли достичь, используя методы машинного обучения. В частности, удалось выявить ранее не распознанные события в Восточной Антарктиде, которая долгое время считалась сейсмически спокойным регионом. Многие слабые землетрясения были определены как ледниковые, но обнаружились и подземные внутриплитные толчки тектонической природы.

За изучение сейсмичности одного из районов Восточной Антарктиды ― Земли Виктории ― взялись сейсмолог Лун Минь Хо (Long M. Ho) из Алабамского университета и его коллеги из Испании и США. Земля Виктории лежит рядом с морем Росса и включает в себя часть Трансантарктических гор, по другую сторону которых, в Западной Антарктиде, расположена рифтовая система, не проявляющая большой активности в настоящее время. На первом этапе исследования для обработки данных с 49 станций, которые вели мониторинг в 2001–2004 и 2012–2015 годах, ученые применили систему глубокого обучения с тонкой настройкой методом трансферного обучения. Затем полученные результаты переопределили с помощью программного пакета NonLinLoc, позволяющего построить скоростные модели, рассчитать времена пробега сейсмических волн и произвести вероятностный поиск очагов землетрясений в трехмерной сетке, а также с помощью модифицированной трехмерной скоростной модели сдвиговых волн.

С точки зрения поиска внутриплитных тектонических землетрясений наиболее перспективным оказался район ледника Дэвида ― крупнейшего выводного ледника Земли Виктории, через который с ледяного купола Талос в море Росса стекает около четырех процентов льда Восточной Антарктиды. Очаги 1068 сейсмических событий с локальными магнитудами от 1,6 до 3,5 из составленного исследователями каталога располагались под ледником Дэвида, и 510 из них классифицированы как промежуточные. И если мелкофокусные землетрясения с глубинами 3–40 километров могут быть объяснены снятием напряжений при перераспределении массы движущихся льдов, то причины промежуточных событий простого объяснения не имеют. Регион не связан с активными зонами субдукции, а значит, дегидратация водосодержащих минералов, приводящая к хрупкому разрушению, маловероятна. Сейсмотомографические исследования Антарктиды, проведенные ранее, не выявили остатков древних погруженных плит или отслоившихся частей литосферы под северной областью Земли Виктории.

Однако результаты тех же исследований показывают, что под ледником Дэвида глубина подошвы литосферной плиты изменяется: для Восточной Антарктиды характерна более толстая (около 200 километров) литосфера, а для Западно-Антарктической рифтовой системы ― тонкая, растянутая (менее 100 километров). Оценки температуры нижней литосферы дают величину около 700 градусов, а подстилающего его астеносферного слоя ― 1200–1300 градусов. Граница между ними под ледником круто наклонена в широтном направлении, и Лун Минь Хо с коллегами полагают, что резкий температурный перепад способствует концентрации тектонических напряжений вдоль этой границы. Здесь развивается вязкая ползучесть и возникает термическая сдвиговая неустойчивость ― источник многочисленных промежуточных землетрясений.

Однако очаги этих землетрясений концентрируются не только вдоль ледника Дэвида (в широтном направлении), но и поперек него. Опираясь на скоростные модели сдвиговых волн, ученые показали, что нижняя литосфера под ледником деформирована и в направлении, близком к меридиональному. Под хребтами Дипфриз и Королевского Общества соответственно к северу и к югу от ледника Дэвида ее граница приподнята (по-видимому, под действием восходящих мантийных потоков). В сочетании с поверхностной нагрузкой от ледника это приводит к формированию отрицательного прогиба под ледником и возникновению сильных изгибных напряжений, которые и вызывают сейсмическую активность. Аналогичные явления, как отмечают авторы исследования, могут быть обнаружены с помощью методов машинного обучения и в других регионах, и не исключено, что внутриплитная сейсмичность на промежуточных глубинах распространена шире, чем принято было считать.

Ранее мы рассказывали о том, как с помощью георадарной съемки под ледниковым щитом Восточной Антарктиды нашли древний речной ландшафт. А еще N + 1  освещал исследования в области сейсмологии: обнаружение фрагмента Индийской плиты под Тибетским нагорьем, моделирование магматического резервуара под Йеллоустонской кальдерой и разделение исторического землетрясения 365 года на Крите на серию сейсмических событий.