Землетрясения и оползни могут быть вызваны стрессовыми изменениями в окружающей среде: землетрясения могут быть вызваны изменением статического напряжения из-за больших разрывов, а оползни могут быть вызваны ускорением из-за сейсмических волн. Оба процесса могут быть причиной не только последствий, но и изменений напряжения; например, наблюдения показывают, что поверхностные процессы могут изменять поле напряжений вокруг мелких разломов настолько, чтобы вызвать сейсмичность. Однако землетрясения не приводят к систематическому возникновению многочисленных оползней, а поверхностные процессы не приводят к систематическому изменению региональной сейсмичности.
Ландшафтное реагирование на землетрясения
Немецкий ученый собрал общую площадь поверхности, пострадавшую от оползней в результате нескольких исторических землетрясений, и обнаружил, что эта территория и, следовательно, общий объем осадков зависит в первую очередь от магнитуды землетрясения. Например, количество оползней после землетрясения примерно в 30 раз превышает количество оползней, вызванных землетрясением. Это интуитивно понятно, так как площадь разлома поверхности увеличивается с увеличением магнитуды землетрясения. Однако разброс во взаимосвязи между объемом оползня и магнитудой землетрясения достигает больших размеров, поскольку другие процессы и параметры второго порядка (ландшафтный склон, интенсивность сотрясения грунта...) влияют на плотность оползней. Ландшафтная косейсмическая и постсейсмическая эволюция также зависит от эвакуации наносов реками и, следовательно, от динамики рек.
- Плотность оползней
Вопрос о том, какой параметр делает данный ландшафт более или менее подверженным оползням, остается открытым. Изучив три конкретных случая оползней, вызванных землетрясениями, ученые предположили, что их плотность коррелирует с характером сейсмических колебаний.
В некоторых случаях, таких как землетрясение в Горькове в 2015 году, плотность оползней коррелирует в первую очередь с уклоном холмов. Пространственный анализ после Кайкурского землетрясения 2016 г. показал, что расстояние до разлома было лучшим параметром для объяснения пространственного распределения оползней.
Фактически, параметры, коррелирующие с плотностью оползней, неразрывно связаны; например, при уменьшении расстояния до разлома высокочастотные сейсмические волны становятся сильнее, прочность породы, вероятно, будет меньше из-за предыдущих разрушений, а склоны холмов могут быть круче. Поэтому плотность оползней зависит от всех местных условий, а также от таких параметров, как склон, литология и повреждения горных пород, которые контролируют подверженность склонов к разрушению.
- Вынос наносов
Землетрясения превращают склонные горные породы в наносы, которые могут быть мобилизованы и эвакуированы реками из эпицентральной области. Поэтому последствия косейсмических оползней для баланса масс при сильных землетрясениях или для оценки опасности зависят от времени эвакуации осадков из горного пояса.
Этот процесс зависит от возможности подключения оползней к дренажной сети, которая демонстрирует значительные различия между водосборами. Он также контролируется динамикой рек и гранулометрическим распределением оползневых отложений. Динамика взвешенных наносов после сильного землетрясения может быть отслежена с помощью ручьевых датчиков и задокументирована для нескольких сильных землетрясений.
Недавнее исследование, проведенное в Гималаях, показывает, что даже очень эрозионные реки нуждаются более чем в нескольких столетиях, чтобы приспособиться к оползням. Осадочные записи и, в частности, картирование оползней показали, что реки могут эвакуировать оползневые отложения в течение нескольких десятилетий. Недавнее численное моделирование показало, что послесейсмическое среднее время пребывания крупных отложений составляет от нескольких лет до нескольких десятилетий, что на порядок меньше, чем ожидалось в предыдущих теориях.
Реакция сейсмического цикла на поверхностные процессы
Поверхностные процессы (такие как снег, эрозия, приливы и отливы) изменяют поле напряжений в верхних нескольких километрах земной коры. Эти процессы изменяют статическое напряжение вокруг разломов и могут вызывать или задерживать землетрясения в зависимости от местных напряженных условий. Пространственные и временные корреляции между поверхностными процессами и изменениями сейсмичности существуют, но лежащая в их основе механика не совсем понятна. В последнее десятилетие вызванная сейсмичность, особенно в США, стала важной темой политических и научных дискуссий в связи с развитием гидроразрыва пласта.
Но на протяжении десятилетий было признано, что землетрясения могут быть вызваны деятельностью человека, такой как затопление пластов, добыча полезных ископаемых, добыча жидкости и газа из недр и закачка жидкости в подземные пласты. Землетрясение, вызванное деятельностью человека, позволяет глубже понять, что такое землетрясение, особенно если сейсмическая сеть была развернута до начала периода его возникновения. Из этой природной лаборатории было замечено, что сейсмичность обычно вызывается изменениями статического напряжения до 0,1 бар, что очень мало по сравнению с типичными значениями падения напряжения при землетрясении. Такой низкий уровень триггерного напряжения позволяет предположить, что многие разломы находятся очень близко к критической точке разрыва в пределах континентальных плит или вблизи границ плит, даже если тектоническая активность отсутствует, и что небольшие изменения напряжения могут вызвать землетрясения
- Наблюдения
В различных местах сейсмичность потенциально модулируется с годовой периодичностью. Связь между этой периодичностью и гидрологическим циклом была предложена в различных условиях. Он коррелировался либо с годовым ходом снежного покрова в Японии и западных вулканических районах США, либо с сезонными изменениями осадков в Гималаях, либо с изменениями атмосферного давления в Калифорнии.
Было предложено несколько механизмов для объяснения сезонных модуляций:
- гидрологические процессы могут модулировать сейсмичность через изменения статического напряжения в результате упругих нагрузок/разгрузок, связанных с колебаниями снеговой нагрузки,
- пополнения/разряда подземных вод, а также изменения порового давления вследствие проникновения воды на поверхность разлома.
Расшифровка информации между этими различными механизмами затруднена из-за сложного взаимодействия между всеми гидрологическими процессами в настоящее время, а также из-за того, что мы не в полной мере понимаем процессы, которые управляют зарождением землетрясений.
Несмотря на это, эти наблюдения привели к двум основополагающим моментам, касающимся механики инициирования землетрясений:
- Ограниченные изменения статических напряжений могут эффективно вызвать сейсмичность в сезонном масштабе времени года.
- Сейсмичность, как представляется, систематически не меняется в приливно-отливной период (12 часов), хотя приливы вызывают изменения статического напряжения (3-4 кПа) такого же порядка величины, как и гидрологический цикл.
Это наблюдение предполагает наличие временной зависимости сейсмичности от таких небольших колебаний напряжения, а запуск землетрясения подразумевает нелинейный эффект, который не может быть просто описан изменениями статических напряжений.
- Потенциальное воздействие эрозии на сейсмический цикл
В масштабе сейсмического цикла недавнее механическое моделирование показало, что в таких активных сжимающих орогенах, как Тайвань, скорость эрозии, которая балансирует скорость подъема породы, может повысить кулоновское напряжение в верхних нескольких километрах коры на 0,1-10 бар в межсейсмическую фазу. Более того, крупные эрозионные явления, такие как землетрясения или оползни, вызываемые дождями, вызывают образование большого количества осадков, которые могут быть перемещены из близлежащих разломов.
Известно, что разломы реагируют на небольшие стрессовые изменения в определенные периоды, поэтому крупные эрозионные явления могут вызвать сейсмичность в зависимости от величины эрозии и скорости перемещения наносов по рекам. Наблюдения сейсмичности, вызванной крупным оползневым явлением, пока еще немногочисленны. Использование цифровых моделей сейсмического цикла имеет важнейшее значение для лучшего понимания таких связей.
