Наблюдение за неспокойной Землей в ожидании следующего «крупного события»

Планер USGS Wave Glider во время выполнения задания, оснащенный приборами Sonardyne GNSS-A. Фото: USGS.

Когда в 2021 году у берегов Аляски произошло землетрясение в Чигнике магнитудой 8,2, это стало серьезным тревожным сигналом.

Самое сильное землетрясение в США с 1965 года и одно из самых сильных в мире за последние годы; оно стало напоминанием о геологических опасностях, таящихся, скрытых от глаз, у наших берегов.

Подобные явления в прибрежной зоне могут спровоцировать цунами, поставив под угрозу крупные прибрежные города и регионы.

Однако до недавнего времени геологическая активность, приводящая к таким землетрясениям, как Чигник, оставалась для ученых практически неизученной, скрытой и недоступной под водой.

Теперь, благодаря продолжающемуся сотрудничеству и разработкам между компанией Sonardyne, занимающейся подводными технологиями, Институтом океанографии Скриппса и Геологической службой США (USGS), возможность дистанционного мониторинга нашей неспокойной планеты не только стала реальностью, но и превратилась в стандартную практику.

С помощью технологии GNSS-A ведется мониторинг все большего числа участков побережья, наиболее уязвимых к землетрясениям и цунами, включая тихоокеанское побережье США.

Что такое GNSS-A?

Система GNSS-A работает за счет объединения спутникового позиционирования с подводной акустикой для отслеживания движения морского дна с точностью до сантиметра. Беспилотное надводное судно (БНС) с полезной нагрузкой GNSS-A от Sonardyne патрулирует над массивом транспондеров Sonardyne Fetch на морском дне.

Сочетание известного положения на поверхности с акустическими импульсами, передаваемыми на каждый транспондер Fetch, позволяет устройству вычислять точное положение каждого транспондера, а следовательно, и положение морского дна, на котором оно находится.

Повторяя эти измерения с течением времени, ученые могут отслеживать движение тектонических плит поперек разломов, чтобы лучше понимать и оценивать опасность землетрясений и цунами.

Одной из организаций, использующих этот метод для мониторинга зон субдукции, где одна плита скользит под другую, является Геологическая служба США (USGS).

Впервые они начали изучать его применение в 2017 году, работая в сотрудничестве с Гавайским университетом и Институтом Скриппса, используя волновой планер и датчики на морском дне, чтобы измерить, как трение между двумя тектоническими плитами ограничивает скольжение и вызывает накопление напряжения — по сути, измеряя «насколько сильно прилипли плиты».

С тех пор они продолжают вносить свой вклад в разработку GNSS-A, используя модули Sonardyne GNSS-A и транспондеры Fetch.

Подготовка планера USGS Wave Glider к запуску на борту научно-исследовательского судна R/V North Wind Калифорнийского политехнического государственного университета в Гумбольдте. Фото: USGS.

Расширение мониторинга с использованием GNSS-A вдоль зоны субдукции Каскадия.

Геологическая служба США уделяет большое внимание Каскадской зоне субдукции — разлому длиной 1000 км у побережья Тихоокеанского Северо-Запада, простирающемуся от острова Ванкувер в Канаде до северной Калифорнии.

В период с 2021 по 2025 год Геологическая служба США установила четыре пункта мониторинга на морском дне у тихоокеанского побережья США в самой южной части этой зоны.

Они являются частью более широкой сети вдоль Каскадской зоны субдукции, где субдукция включает в себя три плиты — Эксплорер, Хуан-де-Фука и Горда — скользящие под Североамериканскую плиту, что создает потенциал для землетрясений магнитудой 9 и более, а также крупных цунами.

Станции GNSS-A Геологической службы США, каждая из которых оснащена тремя транспондерами Fetch, расположены на самой южной части плиты Горда, где неопределенность движения плиты Горда относительно движения Североамериканской плиты имеет значение для магнитуды и частоты землетрясений в регионе.

«До появления этой возможности мы могли использовать сети GPS на суше только для оценки, с точностью до долей миллиметра, медленных движений морского дна на расстоянии более 50 миль от берега», — говорит Тодд Эриксен, инженер-геодезист из Центра сейсмологических исследований Геологической службы США в Калифорнии.

«Но морское дно было слепой зоной; важным недостающим элементом глобальной тектонической головоломки, из-за которого истинный масштаб опасности под океаном оставался в значительной степени неизвестным. Наши приборы остановились на береговой линии».

«В таких местах, как зона субдукции Каскадия, где океанические плиты погружаются под Североамериканскую плиту, геодезические площадки на морском дне заполняют важный пробел, помогая нам лучше понять опасность землетрясений и цунами. Если плиты «заблокируются» в этой зоне, накапливая напряжение, то вся береговая линия и такие города, как Ванкувер, Виктория и Сиэтл, столкнутся со значительным риском цунами».

Оснащённый системой GNSS-A волновой планер Wave Glider, погруженный на борт научно-исследовательского судна R/V North Wind в городе Эврика, штат Калифорния, в окружении трёх геодезических реперных точек на морском дне, которые будут установлены вдоль Каскадской зоны субдукции. Фото: USGS

Топо-батиметрическая карта зоны субдукции Каскадия, показывающая геодезические скорости на суше и на шельфе, полученные с помощью геодезических станций USGS и NSF. Источник: USGS

Важные выводы, полученные в результате исследований Алеутской зоны субдукции.

Одним из тектонических источников крупных землетрясений, за которыми следит Геологическая служба США, является Алеутская зона субдукции. Именно здесь произошло землетрясение в Чигнике, и Геологическая служба США была готова к операции по ликвидации его последствий.

Всего за пару лет до этого группа ученых, финансируемая Национальным научным фондом США (NSF), создала три пункта мониторинга GNSS-A на морском дне у берегов Аляски, в Алеутской зоне субдукции.

До землетрясения в Чигнике магнитудой 8,2 Геологическая служба США и Институт Скриппса провели несколько съемок с помощью волнового планера, отслеживая положение объектов на глубине около 1200 м.

Спустя несколько недель после землетрясения Геологическая служба США снова отправила свой волновой планер в зону наблюдения, чтобы измерить, какие движения происходили во время и вскоре после землетрясения.

Несмотря на сложные погодные условия, в ходе миссии были собраны высококачественные данные GNSS и акустические данные, результаты которых оказались поразительными.

«Цунами было небольшим, но сейсмическое событие стало самым масштабным в США за почти шесть десятилетий, — говорит Эриксен, — поэтому мы ожидали значительного смещения. Но было невероятно точно узнать, насколько сильным оно было — а оно составило 1,4 метра». Это дало критически важное представление о со- и постсейсмических движениях, помогая понять динамику зон субдукции».

Главный вопрос заключался в том, увеличило ли землетрясение в Чигнике напряженность и потенциальную опасность цунами на восходящей части разлома или нет?

«Измерения показали, что разлом сместился на 2–3 метра по горизонтали в мелководной части разлома, менее чем в 20 км ниже морского дна, что помогает нам понять, как накапливается напряжение вдоль разлома и высвобождается при землетрясении», — говорит он.

«Эти результаты позволяют предположить, что кумулятивное смещение снизило напряжение в неглубокой части разлома, и, следовательно, землетрясение в Чигнике, вероятно, не увеличило потенциал цунами в неглубокой части разлома».

«Это также продемонстрировало эффективность метода GNSS-A и полезность оперативных измерений GNSS-A для более точной оценки опасности цунами и землетрясений в регионе».

Происхождение GNSS-A

Возможность измерять движение тектонических плит на морском дне не является чем-то принципиально новым. Она основана на методе, первоначально называвшемся GNSS-A, разработанном Институтом Скриппса, а именно Дэвидом Чадуэллом и Фредом Списсом.

«Сочетание позиционирования GNSS и акустических измерений для отслеживания движения морского дна было остроумной идеей, и она сработала», — говорит Мишель Барнетт, менеджер по развитию бизнеса в области океанологии в компании Sonardyne.

«Однако стоимость использования судов с экипажем для позиционирования сделала это слишком дорогостоящим. Кроме того, это представляло собой сложную техническую задачу».

«Итак, работая со Скриппсом, на раннем этапе...»

В 2010-х годах мы разработали комбинацию наших долговечных датчиков Fetch и готовой полезной нагрузки GNSS-A для волновых планеров, которая позволяет проводить геодезические работы с гораздо меньшими затратами, чем при использовании судна с экипажем.

Планер USGS Wave Glider был успешно поднят на борт научно-исследовательского судна R/V North Wind после проведения обследования. Фото: USGS

Ожидание того стоит, даже если приходится ждать результатов погодных условий.

Однако этот метод не лишен трудностей. После сбора данных о местоположении транспондеров Алеутской зоны субдукции Эриксен и его команда, естественно, захотели ознакомиться с полученными данными.

В связи со значительными объемами данных — речь идет о 25-30 ГБ на каждый участок (включая три запроса на получение данных) — с беспилотного надводного аппарата на берег отправляются только подвыборки, в основном для контроля качества.

Поэтому им приходится ждать, пока беспилотный надводный аппарат вернется — или будет доставлен — к берегу. Низкий уровень дневного света зимой на Аляске (когда проводилось обследование Чигника) означал ограниченную доступность электроэнергии для беспилотного надводного аппарата.

В сочетании с плохой погодой координация его возвращения оказалась сложной задачей, в результате чего на извлечение Wave Glider и выгрузку данных ушло четыре месяца.

Тем не менее, ожидание того стоило, и результаты дают нам гораздо больше информации, чем когда-либо прежде.

Подробнее о данных по Чигнику можно прочитать в ScienceAdvances, том 9, № 17, «Быстрое неглубокое меганадвиговое послескольжение после землетрясения магнитудой 8,2 в Чигнике, Аляска, в 2021 году, выявлено с помощью геодезии морского дна» .