Сильное землетрясение, потрясшее Японию 11 марта 2011 года, унесло жизни более 20 000 человек, что сделало его одним из самых смертоносных стихийных бедствий в истории страны. Практически все пострадавшие утонули в результате цунами, высота которого местами превышала 30 метров.Цунами также повредило атомную электростанцию ??«Фукусима-дайити», вызвав аварию в трех из шести реакторов станции и выброс в океан рекордного количества радиации.
В какой-то момент реакторы были настолько нестабильными, что бывший премьер-министр Наото Кан позже признал, что рассматривает возможность эвакуации 50 миллионов человек из района Большого Токио. В конце концов, 160 000 человек были вынуждены покинуть свои дома из-за радиации.
Это национальное бедствие, крупнейшее землетрясение в истории Японии, стало призывом к действиям для японских ученых-геологов. Их миссия: точно понять, что сделало это землетрясение таким разрушительным. Для этого они обратились к JAMSTEC, Японскому агентству по морским и земным наукам и технологиям, чтобы исследовать секреты Японской впадины глубиной 7000 метров, эпицентра темблора.За пять лет, прошедших после катастрофы, исследователи обнаружили интригующие ключи к разгадке того, что сделало землетрясение таким опасным.
Норвежский нефтяной опыт работы на норвежском континентальном шельфе теперь помогает раскрыть новые детали, поскольку ученые продолжают пытаться понять, какие факторы способствуют тому, что землетрясение в этом регионе действительно сильное. Таким образом они надеются, что смогут лучше предсказать силу и местоположение будущих землетрясений и цунами.Беспорядок тектонических плитЯпония находится в одном из самых опасных мест, возможных с точки зрения землетрясений.
Северная часть страны расположена на части Североамериканской плиты, тогда как южная часть страны находится на Евразийской плите. На севере Тихоокеанская плита скользит под Североамериканской плитой, а на юге Евразийская плита движется по плите Филиппинского моря. Когда одна плита движется относительно другой, движение может вызвать землетрясение и цунами.
Сложное нагромождение тектонических плит объясняет, почему около 1500 землетрясений сотрясают страну каждый год и почему она является домом для 40 действующих вулканов — 10 процентов от общего числа вулканов в мире.Учитывая, что в Японии так много землетрясений, землетрясение, потрясшее страну во второй половине дня 11 марта, не было полностью неожиданным.
Фактически, исследователи предсказали, что в ближайшие 30 лет в этом регионе произойдет землетрясение силой 7,5 балла или более.Землетрясения в Японии достаточно обычны, поэтому в стране действуют строгие строительные нормы и правила, предотвращающие ущерб. Самые большие здания извиваются и раскачиваются от сотрясения земли — один человек в Токио сказал BBC, что движения в небоскребе на его рабочем месте во время землетрясения 2011 года были настолько сильными, что он почувствовал морскую болезнь, — и даже атомная станция Фукусима-дайити была защищена 10-метровая дамба.Тем не менее, некоторая комбинация факторов сделала землетрясение Тохоку-Оки более сильным и вызвало более смертоносное цунами, чем ожидали ученые.
Но что?«Это то, что мы хотим понять — и смягчить», — говорит Шиничи Курамото, генеральный директор Центра исследования глубин Земли в JAMSTEC. «Почему происходят эти сильные землетрясения?»Действительно большой промах
Исследователи JAMSTEC мобилизовались почти сразу после катастрофы и отправили свое 106-метровое исследовательское судно RV Kairei к эпицентру землетрясения всего через несколько дней после того, как оно произошло.Чуть больше двух недель корабль курсировал по Японской впадине у побережья Хонсю. Цель состояла в том, чтобы создать батиметрическую картину морского дна и собрать сейсмические данные по отражениям, которые позволяют исследователям заглядывать в отложения и скалы под морским дном.В ходе последующего круиза на RV Kaiyo компании JAMSTEC через 7-8 месяцев после землетрясения были собраны дополнительные сейсмические снимки с высоким разрешением в этом районе.
К счастью, у исследователей также были данные аналогичного исследования, проведенного в 1999 году в том же регионе.Данные показали, что морское дно в районе траншеи опускается на 50 метров по горизонтали, сказал Ясуюки Накамура, заместитель руководителя группы структурной сейсмологии Центра землетрясений и цунами JAMSTEC.«Это был большой промах в районе оси траншеи», — сказал он. «Для сравнения, землетрясение в Кобе в 1995 году, в результате которого погибло более 6000 человек, и его магнитудой было 7,3, средняя величина проскальзывания составила 2 метра».
Накамура сказал, что еще одно землетрясение магнитудой 8 баллов в 1946 году в районе Нанкай на юге Японии, разрушившее 36 000 домов, имело максимальный уклон 10 метров.«Итак, вы видите, что 50 метров — это очень большой промах», — сказал он.
По его словам, это само по себе частично объясняет, почему волна цунами была такой большой.Создание изображений с использованием звуковых волнКогда Мартин Ландро, геофизик из Норвежского университета науки и технологий (NTNU), прочитал о землетрясении в Японии и узнал, что его японские коллеги собрали сейсмические данные как до, так и после землетрясения, он подумал, что может предложить кое-что. помощь.
Более 20 лет Ландро занимается интерпретацией и визуализацией сейсмических данных. Нефтяные компании и геофизики обычно используют этот подход для сбора информации о геологии морского дна. Ландро изучил все, от использования сейсмических данных для открытия новых подводных нефтяных резервуаров до визуализации того, что происходит с закачкой CO2 в подводный резервуар, как это делается сейчас на месторождении Слейпнер в Северном море.Это работает так: корабль плывет по прямой на 100 и более километров и использует пневматическое оружие, чтобы посылать акустический сигнал каждые 50 метров, пока корабль плывет.
Корабль также буксирует за собой длинный кабель для записи акустических сигналов, которые отражаются от отложений и коренных пород под морским дном. Проще говоря, более твердые материалы отражают сигналы быстрее, чем более мягкие.Геологи могут создать двухмерное изображение, поперечный разрез геологии под морским дном, протянув один длинный кабель позади корабля. Трехмерное изображение может быть создано путем буксировки нескольких кабелей с датчиками на них и, по сути, объединения серии двухмерных изображений в трехмерное.
Однако совершенно особый тип сейсмических данных называется 4D, где четвертым измерением является время. Здесь геофизики могут комбинировать 2D-изображения из разных периодов времени или 3D-изображения из разных периодов времени, чтобы увидеть, как область изменилась с течением времени. Это может быть очень сложно, особенно если для сбора сейсмических данных за два разных периода времени использовались разные системы. Но 4D сейсмический анализ — это особый опыт Ландро.
От нефтяных резервуаров Северного моря до Японского желобаЛандро связался с Шуичи Кодайрой, директором Центра землетрясений и цунами JAMSTEC, и сказал, что хочет узнать, можно ли использовать некоторые из методов, которые использовались в нефтяных целях, для понимания изменений напряжения, связанных с землетрясениями.
Кодаира согласился.Затем, по словам Ландро, нужно было просто получить данные и «повторно обработать их», чтобы сделать два разных периода времени как можно более сопоставимыми.«Затем мы могли оценить движения и изменения, вызванные землетрясением на морском дне и ниже морского дна», — сказал Ландро.После почти года совместной удаленной работы над данными Ландро и его норвежские коллеги вылетели в Японию в ноябре 2016 года, чтобы впервые встретиться со своими японскими коллегами.
Сейчас они совместно пишут научную статью для публикации, поэтому он не хочет подробно описывать их новые открытия до того, как они будут опубликованы.«Конечная цель здесь — как можно подробнее понять, что произошло во время землетрясения. Общая картина более или менее такая же», — сказал Ландро. «Это больше похоже на то, что мы смотрим на мелкие детали, которые могут быть важны при использовании техники, которая использовалась в нефтяной промышленности в течение многих лет.
Возможно, мы увидим некоторые детали, которые не были замечены ранее».Система раннего предупрежденияЛандро также интересует система, которую JAMSTEC установила в океане у южной части страны, под названием Dense Oceanfloor Network system для землетрясений и цунами, более известная как DONET.По словам Накамура из JAMSTEC, система DONET (их сейчас два) представляет собой серию связанных датчиков давления, установленных на дне океана в Нанкайском желобе, районе, который подвергался повторяющимся опасным землетрясениям.
Нанкайский желоб расположен там, где плита Филиппинского моря скользит под Евразийскую плиту со скоростью около 4 см в год. Как правило, каждые 100–150 лет вдоль желоба случались сильные землетрясения.DONET 1 также включает серию сейсмометров, измерителей наклона и индикаторов деформации, которые были установлены в яме на 980 метров ниже известного очага землетрясения в Нанкайском желобе.
Все датчики из ямы и морского дна связаны в сеть кабелей, которые отправляют наблюдения в реальном времени на станции мониторинга, а также в местные органы власти и предприятия.По сути, если движение достаточно велико, чтобы вызвать землетрясение и цунами, датчики сообщат об этом.
Исследователи JAMSTEC провели исследования, которые показывают, что сеть DONET может обнаруживать приближающееся цунами на 10–15 минут раньше, чем наземные станции обнаружения на побережье. Эти дополнительные минуты могут означать спасение тысяч жизней.«Одна из основных целей здесь — обеспечить систему раннего предупреждения о цунами», — сказал Накамура. «Мы сотрудничаем с местными органами власти, чтобы установить это».
Другие приложения возможностьЛандро считает, что методы построения четырехмерных сейсмических изображений можно также использовать с данными, собранными всеми датчиками DONET.
Подход DONET или его разновидности также могут быть полезны в будущем, поскольку Норвегия и другие страны исследуют возможности использования нефтяных резервуаров для хранения СО2. Одной из самых больших проблем при хранении CO2 в подводных резервуарах является мониторинг зоны хранения, чтобы убедиться, что CO2 остается на месте. По словам Ландро, здесь может быть интересна система мониторинга в стиле DONET.
Ландро также говорит, что, по его мнению, методы построения четырехмерных сейсмических изображений можно использовать с данными, собранными всеми датчиками DONET, чтобы лучше понять, как территория меняется с течением времени.DONET «это пассивные данные, слушающие рок», — сказал Ландро. «Но здесь вы также можете использовать некоторые из тех же методов, что и для четырехмерного анализа, чтобы узнать больше».