Ученые использовали физическое моделирование, чтобы реконструировать историю сейсмической активности за последнюю тысячу лет, и обнаружили, что многие важные разломы в Южной Калифорнии в настоящее время накапливают аномально высокие тектонические напряжения. Эта энергия в основном сосредоточена вдоль разломов Сан-Андреас и Сан-Хасинто, которые вместе обеспечивают относительное движение между Тихоокеанской плитой и Северо-Американской плитой. В Каджон-Пассе, к северо-востоку от Лос-Анджелеса, два разлома сходятся в сложное тектоническое пересечение, которое уже давно привлекает внимание сейсмологов, поскольку разрывы на одном разломе могут «перейти» на другой.

В районе Лос-Анджелеса не было крупных землетрясений подобной силы со времен землетрясения в Форт-Техон магнитудой 7,9 в 1857 году, но напряжение в глубокой земной коре продолжает медленно нарастать. Этот длительный период «относительного затишья» не означает безопасность в глазах исследователей, но является сигналом роста потенциальных рисков. Последнее исследование проводилось под руководством доктора Лилианы Буркхард из кафедры космических исследований и планетологии Института физики Бернского университета и было завершено в сотрудничестве с такими учреждениями, как Гавайский университет в Маноа, Геологическая служба США, Центр изучения землетрясений Пасадены и Океанографический институт Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего.

Команда построила «четырехмерную» физическую модель цикла землетрясений, чтобы моделировать эволюцию разломов в трехмерном пространстве и времени, и ввела в модель последовательность землетрясений продолжительностью около тысячи лет. Эта историческая запись основана на различных геологических и экологических данных, включая радиоуглеродное датирование, аномалии годичных колец и исторические записи о разрывах поверхности, чтобы максимально восстановить время и масштаб крупных землетрясений. Модель последовательно отслеживает изменения в распределении напряжений соседних сегментов разломов, вызванные каждым землетрясением, фиксирует непрерывное накопление напряжений в интервалах землетрясений и моделирует медленный процесс релаксации в более глубоких частях земной коры после сильного землетрясения.

Результаты моделирования показывают, что нынешнее тектоническое напряжение на сопутствующих разломах в Южной Калифорнии достигло или превысило самый высокий уровень за последнюю тысячу лет. В исследовании особо указывается, что перевал Кахон представляет собой типичную «дверь землетрясения», то есть эта зона пересечения разломов в критический момент определит, остановится ли крупномасштабный разрыв на определенном разломе или пройдет через два набора систем разломов и перерастет в более масштабное событие связи. Исторически сложилось так, что произошли две ситуации: землетрясение Райтвуда 1812 года прошло через перевал Кахон и постоянно разрушало разломы Сан-Андрес и Сан-Хасинто; в то время как землетрясение в Форт-Техон 1857 года закончилось здесь и не продолжило влиять на разлом Сан-Хасинто.

Буркхард отметил, что перевал Кахон не просто «блокирует» или «направляет» землетрясения, но реагирует на изменяющиеся стрессовые состояния. Исследование показало, что ключ к определению того, может ли разрыв пересечь «ворота землетрясения», лежит не только в напряжении на определенном разломе, но также в том, увеличивается ли напряжение в двух системах разломов одновременно. Когда разлом Сан-Андреас и разлом Сан-Хасинто одновременно находятся в состоянии высокого напряжения и величины напряжений одинаковы, это более способствует образованию крупномасштабного сквозного разрыва между ними; наоборот, если два напряжения не синхронизированы, разрыв с большей вероятностью закончится на пересечении.

Текущие модели оценивают кулоновское напряжение на участке Сан-Хасинто-Бернардино примерно в 3,6 МПа, что выше, чем когда-либо наблюдалось за тысячу лет моделирования. Напряжения в прилегающем к Мохаве южном участке разлома Сан-Андреас составляют около 2,8 МПа, что также находится на высоком уровне и мало чем отличается от прежнего. Эта модель, при которой два сегмента разломов одновременно сильно нагружены и имеют одинаковые напряжения, часто соответствовала крупным событиям разрывов в обоих наборах разломов в прошлых записях, что заставляет исследовательскую группу особенно бдительно относиться к сценариям будущих региональных землетрясений.

Если бы будущее крупное землетрясение произошло с одной стороны разломов Сан-Андреас или Сан-Хасинто и успешно соединило бы два набора разломов через перевал Кахон, воздействие было бы намного сильнее, чем событие, ограниченное одним разломом. К районам, находящимся под угрозой, относятся некоторые из наиболее густонаселенных и инфраструктуроемких коридоров в Соединенных Штатах, такие как район Большого Лос-Анджелеса, Сан-Бернардино, Риверсайд и долина Коачелла. Сам перевал Кахун является важной транспортной артерией, по которой проходит множество автомагистралей, железных дорог и магистральных линий электропередачи. Если произойдет прорыв, это окажет серьезное влияние на транспортные и энергетические сети.

По словам Буркхарда, когда и как произойдет следующее крупное землетрясение в Южной Калифорнии, это один из самых актуальных вопросов в прикладных науках о Земле. Физическая модель, разработанная командой, обеспечивает более четкую количественную картину напряженного состояния нынешней системы разломов, и эта аналитическая основа применима не только к Калифорнии, но и к другим сложным районам пересечения разломов по всему миру для оценки потенциальных рисков землетрясений. Она также подчеркнула, что это исследование не является прямым прогнозом времени возникновения землетрясения, но указывает на то, что нынешняя система находится в состоянии «критической нагрузки», и в планирование предотвращения и уменьшения стихийных бедствий необходимо включать различные возможные сценарии.

По мнению исследователей, с помощью подобных методов физического моделирования люди могут лучше понять процесс накопления долговременного тектонического напряжения и эффект «ворот» в ключевых областях пересечения разломов, тем самым обеспечивая научную основу для оценки риска, выбора и укрепления объектов инфраструктуры, а также готовности к чрезвычайным ситуациям. Соответствующая статья называется «Перевал Кахон и система разломов Южного Сан-Андреаса: накопление циклических напряжений при землетрясениях и условия текущей нагрузки» и была опубликована в «Журнале геофизических исследований: Твердая Земля». Он был совместно подписан Бернским университетом и несколькими американскими исследовательскими институтами и финансировался Калифорнийским государственным центром землетрясений и Национальным научным фондом.