Нью-Мадридская сейсмическая зона: угроза землетрясений в центре США

Введение

Главная сейсмическая зона в южных и центральных штатах США

Нью-Мадридская сейсмическая зона (NMSZ) (/ˈmædrɪd/), иногда называемая линией разлома Нью-Мадрид, является крупной сейсмической зоной и активным источником внутриплитных землетрясений (землетрясений внутри тектонической плиты) в южных и центральных штатах США, простирающейся к юго-западу от Нью-Мадрида, штат Миссури. Система разломов Нью-Мадрида была причиной землетрясений в Нью-Мадриде в 1811–1812 годах и обладает потенциалом для возникновения сильных землетрясений в будущем. С 1812 года в этом районе регулярно регистрируются небольшие землетрясения. Землетрясения, происходящие в Нью-Мадридской сейсмической зоне, потенциально угрожают частям семи американских штатов: Иллинойса, Миссури, Арканзаса, Кентукки, Теннесси, а также в меньшей степени Миссисипи и Индианы.

Местоположение

Сейсмическая зона длиной в 241 км, охватывающая пять штатов, тянется на юг от Каира, штат Иллинойс, через Хайти, Карутерсвилль и Нью-Мадрид в штате Миссури, через Блайтвилль в Маркд-Три в штате Арканзас. Она также включает часть западного Теннесси вблизи озера Рилфут, простираясь в юго-восточном направлении к Дайрсбургу. Эта зона расположена к юго-западу от сейсмической зоны долины Уабаш.

Геология

Разломы, ответственные за НМСЗ, заключены в подповерхностную геологическую структуру, известную как Рильфутовый рифт, который, вероятно, образовался в кембрийский период. Рифт был впервые описан Эрвином и МакГиннисом (1975) и первоначально считался образовавшимся в позднем докембрии. Рифт не привел к расколу Североамериканского континента, но остался в виде аулакогена (рубца или зоны слабости) в глубоких недрах. Эта относительная слабость имеет значение, поскольку она позволяет относительно небольшим восточно-западным компрессионным силам, связанным с продолжающимся западным дрейфом Североамериканской плиты, реактивировать древние разломы в районе Нью-Мадрида, делая этот район необычно подверженным землетрясениям, несмотря на его удаленность от ближайшей границы тектонических плит. Поскольку в Северной Америке известны и другие древние рифты, но не все они связаны с современными землетрясениями, возможно, существуют и другие процессы, локально увеличивающие механическое напряжение в разломах Нью-Мадрида. Предполагается, что нагрев литосферы под этой областью делает глубокие породы более пластичными, что приводит к концентрации компрессионных напряжений в более приповерхностных слоях, где происходят разломы.

История

В этой зоне произошло четыре из самых сильных землетрясений, зафиксированных в истории Северной Америки, с моментами магнитуды, оцениваемыми в 7 баллов и выше. Все они произошли в течение 3 месяцев, с декабря 1811 года по февраль 1812 года. Многие опубликованные отчеты описывают кумулятивный эффект от всех землетрясений (известных как Новомадридская серия), поэтому бывает сложно выделить отдельные последствия каждого толчка. Оценки магнитуды и эпицентров основаны на интерпретации исторических данных и могут различаться.

Доисторические землетрясения

Поскольку скорости поднятия земной коры, связанные с крупными землетрясениями в Новом Мадриде, не могли происходить непрерывно в течение геологического времени без существенного изменения местной топографии, исследования показали, что сейсмическая активность в этой зоне не могла продолжаться более 64 000 лет. Это делает сейсмическую зону Нового Мадрида относительно молодой структурой. Альтернативные объяснения заключаются в миграции землетрясений и связанных с ними поднятий в пределах региона с течением времени, либо в чередовании сейсмической зоны Нового Мадрида короткими периодами активности и длительными периодами покоя. Археологические исследования, основанные на изучении песчаных извержений и почвенных горизонтов, выявили, что в недавней истории в сейсмической зоне Нового Мадрида происходили предыдущие серии очень сильных землетрясений. Анализ артефактов, погребенных в отложениях песчаных извержений, и данные радиоуглеродного анализа указывают на то, что землетрясения, подобные землетрясениям 1811–1812 годов, произошли примерно в 1450 и 900 годах нашей эры, а также около 300 года нашей эры. Также обнаружены свидетельства серии крупных землетрясений около 2350 года до нашей эры. Приблизительно к юго-западу от современной границы сейсмической зоны Нового Мадрида, но достаточно близко к Рифту Рильфута, в районе города Марианна, штат Арканзас, были предварительно идентифицированы и датированы (3500 и 4800 годами до нашей эры) два комплекса признаков разжижения, указывающих на сильные землетрясения. Эти признаки были интерпретированы как результат последовательности крупных землетрясений, произошедших в короткий промежуток времени. Дендрохронологические исследования (изучение годичных колец) старейших лысых кипарисов, растущих в озере Рильфут, выявили следы землетрясений 1811–1812 годов в виде трещин, за которыми последовал быстрый рост после затопления. Анализ кернов, взятых из старых лысых кипарисов в поймах реки Сент-Франсис, показал замедление роста в течение полувека после 1812 года. Эти данные были интерпретированы как явные сигналы землетрясений 1811–1812 годов в годичных кольцах деревьев. Поскольку данные о годичных кольцах деревьев из озера Рильфут и пойм реки Сент-Франсис охватывают период до 1682 и 1321 годов соответственно, Ван Арсдейл и его коллеги интерпретируют отсутствие аналогичных сигналов в других частях хронологии как свидетельство отсутствия крупных землетрясений в Новом Мадриде в период между этими датами и 1811 годом.

As uplift rates associated with large New Madrid earthquakes could not have occurred continuously over geological timescales without dramatically altering the local topography, studies have concluded that the seismic activity there cannot have gone on for longer than 64,000 years, making the New Madrid Seismic Zone a young feature, or that earthquakes and the associated uplift migrate around the area over time, or that the NMSZ has short periods of activity interspersed with long periods of dormancy. Archaeological studies have found from studies of sand blows and soil horizons that previous series of very large earthquakes have occurred in the NMSZ in recent prehistory. Based on artifacts found buried by sand blow deposits and from carbon 14 studies, previous large earthquakes like those of 1811–12 appear to have happened around AD 1450 and 900, as well as around AD 300. Evidence has also been found for an apparent series of large earthquakes around 2350 BC. About southwest of the presently defined NMSZ, but close enough to be associated with the Reelfoot Rift, near Marianna, Arkansas, two sets of liquefaction features indicative of large earthquakes have been tentatively identified and dated to 3500 and 4800 BC. These features were interpreted to have been caused by groups of large earthquakes timed closely together. Dendrochronology (tree ring) studies conducted on the oldest bald cypress trees growing in Reelfoot Lake found evidence of the 1811–12 series in the form of fractures followed by rapid growth after their inundation, whereas cores taken from old bald cypress trees in the St. Francis sunklands showed slowed growth in the half century that followed 1812. These were interpreted as clear signals of the 1811–12 earthquake series in tree rings. As the tree ring record in Reelfoot Lake and the St. Francis sunk lands extend back to 1682 and 1321, respectively, Van Arsdale et al. interpret the lack of similar signals elsewhere in the chronology as evidence against large New Madrid earthquakes between those years and 1811.

25 декабря 1699 года

Первое известное письменное свидетельство о землетрясении, почувствованном в НМСЗ, принадлежит французскому миссионеру, путешествовавшему вверх по Миссисипи с отрядом исследователей. 25 декабря 1699 года, в 13:00, в районе, близком к современному городу Мемфис, отряд был застигнут врасплох кратковременной тряской земли.

Серия землетрясений 181112

16 декабря 1811 года, 0815 UTC (2:15 утра); (M около 7.5) эпицентр в северо-восточном Арканзасе, предположительно на разломе Коттонвуд Гроув; Местное поднятие земной поверхности и вид волн, движущихся вверх по течению, создали у наблюдателей впечатление, что река Миссисипи течет вспять. В Нью-Мадриде были повалены деревья и обрушились берега реки. Это землетрясение сотрясло окна и мебель в Вашингтоне, округ Колумбия, заставило зазвонить колокола в Ричмонде, штат Вирджиния, выплеснуло воду из колодцев и потрясло дома в Чарльстоне, штат Южная Каролина, и обвалило штукатурку в домах в Колумбии, штат Южная Каролина. В Джефферсоне, штат Индиана, переместилась мебель, а в Либане, штат Огайо, жители покинули свои дома. Наблюдатели в Геркулануме, штат Миссури, охарактеризовали его как "сильный" и отметили, что он продолжался 10–12 минут. Последующие толчки ощущались каждые 6–10 минут, всего 27 раз в Нью-Мадриде, до так называемого "Дневного толчка", который был такой же силы, как и первый. Многие из этих толчков также ощущались на востоке США, хотя и с меньшей интенсивностью, чем основное землетрясение. В результате поднятия земной коры вдоль разлома образовались временные водопады на реке Миссисипи, волна, распространившаяся вверх по течению, и образовалось озеро Рилфут из-за перегораживания ручьев.

Современная деятельность

Самым крупным землетрясением в зоне NMSZ в 20-м веке было землетрясение магнитудой 5,4 9 ноября 1968 года вблизи Дейла, штат Иллинойс. Землетрясение повредило здание администрации в Хендерсоне, штат Кентукки, и ощущалось в 23 штатах. Жители Бостона сообщали, что их здания раскачивались. На момент землетрясения это было самое крупное зарегистрированное землетрясение с эпицентром в Иллинойсе за всю историю штата. В 2008 году в соседней сейсмической зоне долины Уэбаш произошло землетрясение аналогичной магнитуды 5,4 с эпицентром в Иллинойсе в районе городов Западный Салем и Маунт-Кармел. В 1974 году в этом районе и вокруг него были установлены приборы для непрерывного мониторинга сейсмической активности. С тех пор было зарегистрировано более 4000 землетрясений, большинство из которых были слишком слабыми, чтобы их почувствовать. В среднем, одно землетрясение в год в этом районе достаточно сильное, чтобы его ощутили.

Потенциал для будущих землетрясений

В отчете, представленном в ноябре 2008 года, Федеральное агентство по управлению чрезвычайными ситуациями США предупреждает, что серьезное землетрясение в зоне Нью-Мадрид (NMSZ) может привести к "наибольшим экономическим потерям от стихийного бедствия в Соединенных Штатах", и далее прогнозирует "масштабные и катастрофические" разрушения в Алабаме, Арканзасе, Иллинойсе, Индиане, Канзасе, Кентукки, Миссисипи, Миссури, Оклахоме, Техасе и особенно в Теннесси, где землетрясение магнитудой 7,7 может повредить десятки тысяч строений, затронув водоснабжение, транспортные системы и другую жизненно важную инфраструктуру. Ожидается, что землетрясение приведет к гибели многих тысяч людей, при этом более 4000 погибших ожидается только в Мемфисе. Возможность повторения крупных землетрясений и их воздействие на густонаселенные города в сейсмической зоне и вокруг нее стимулировали множество исследований, направленных на понимание NMSZ. Изучая свидетельства прошлых землетрясений и тщательно отслеживая смещения земной коры и текущую сейсмическую активность, ученые пытаются понять причины их возникновения и интервалы между повторениями. В октябре 2009 года команда исследователей из Университета Иллинойса и Вирджинского политехнического института под руководством Амра С. Элнашая, финансируемая Федеральным агентством по управлению чрезвычайными ситуациями, рассмотрела сценарий одновременного разрыва всех трех сегментов разлома Нью-Мадрид, что привело бы к землетрясению общей магнитудой 7,7. В отчете было установлено, что значительный ущерб может быть нанесен в восьми изученных штатах – Алабаме, Арканзасе, Иллинойсе, Индиане, Кентукки, Миссисипи, Миссури и Теннесси – с вероятностью нанесения дополнительного ущерба в штатах, расположенных дальше от NMSZ. Наиболее серьезно пострадают Теннесси, Арканзас и Миссури, а Мемфис и Сент-Луис будут сильно разрушены. В отчете оценивается, что число пострадавших составит 86 000 человек, включая 3500 погибших, 715 000 поврежденных зданий и 7,2 миллиона перемещенных лиц, из которых два миллиона будут нуждаться в убежище, главным образом из-за отсутствия коммунальных услуг. Прямые экономические потери, согласно отчету, составят не менее 300 миллиардов долларов.

In a report filed in November 2008, the U. S. Federal Emergency Management Agency warns that a serious earthquake in the NMSZ could result in "the highest economic losses due to a natural disaster in the United States," further predicting "widespread and catastrophic" damage across Alabama, Arkansas, Illinois, Indiana, Kansas, Kentucky, Mississippi, Missouri, Oklahoma, Texas, and particularly Tennessee, where a 7.7 magnitude quake would cause damage to tens of thousands of structures affecting water distribution, transportation systems, and other vital infrastructure. The earthquake is expected to result in many thousands of fatalities, with more than 4,000 of the fatalities expected in Memphis alone. The potential for the recurrence of large earthquakes and their effects today on densely populated cities in and around the seismic zone has generated much research devoted to understanding the NMSZ. By studying evidence of past quakes and closely monitoring ground motion and current earthquake activity, scientists attempt to understand their causes and recurrence intervals. In October 2009, a team composed of University of Illinois and Virginia Tech researchers headed by Amr S. Elnashai, funded by the Federal Emergency Management Agency, considered a scenario where all three segments of the New Madrid fault ruptured simultaneously with a total earthquake magnitude of 7.7. The report found that there would be significant damage in the eight states studied – Alabama, Arkansas, Illinois, Indiana, Kentucky, Mississippi, Missouri, and Tennessee – with the probability of additional damage in states farther from the NMSZ. Tennessee, Arkansas, and Missouri would be most severely impacted, and Memphis and St. Louis would be severely damaged. The report estimated 86,000 casualties, including 3,500 fatalities, 715,000 damaged buildings, and 7.2 million people displaced, with two million of those seeking shelter, primarily due to the lack of utility services. Direct economic losses, according to the report, would be at least $300 billion.

Прогноз Ибена Браунинга в 1990 году

Начиная с февраля 1989 года, самопровозглашенный климатолог Ибен Браунинг, утверждавший, что предсказал извержение горы Сент-Хеленс в 1980 году и землетрясение в Лома-Приета в 1989 году, предсказал 50% вероятность землетрясения магнитудой от 6,5 до 7,5 в районе Нью-Мадрида в период с 1 по 5 декабря 1990 года. Браунинг, по-видимому, основывал это предсказание на ожидаемых в то время особенно сильных приливных силах и своем мнении, что землетрясение в Нью-Мадриде было "перезрелым"; однако сейсмологи в целом согласны с тем, что корреляции между приливами и землетрясениями не существует. Это контрастирует со скоростью смещения вдоль разлома Сан-Андреас, которая в среднем достигает до 50 мм в год по всей Калифорнии. 13 марта 2009 года исследовательская группа из Северо-Западного университета и Университета Пердью, финансируемая USGS, опубликовала в журнале Science и других изданиях сообщение о том, что система Нью-Мадрида может "затухать", и что тектоническое напряжение, возможно, сейчас накапливается в другом месте. В выпуске журнала Nature от 5 ноября 2009 года исследователи из Северо-Западного университета и Университета Миссури заявили, что из-за отсутствия движения по разломам, землетрясения вдоль них могут быть лишь афтершоками землетрясений 1811–12 годов. По данным USGS, существует широкое согласие в том, что возможность сильных землетрясений в NMSZ остается серьезной проблемой, и что данные GPS не дают достаточных оснований для снижения оценки сейсмической опасности в регионе. Одной из причин является то, что небольшие землетрясения, которые продолжают происходить, не уменьшаются со временем, как это было бы, если бы они были афтершоками событий 1811–12 годов; другой – то, что 4500-летний археологический реестр крупных землетрясений в регионе имеет большее значение, чем 10 лет непосредственных измерений напряжений. В 2009 году USGS опубликовала информационный бюллетень, в котором оценивала вероятность землетрясения в Нью-Мадриде, сопоставимого по силе с одним из землетрясений 1811–12 годов, в течение следующих 50 лет в 7–10%, а вероятность землетрясения магнитудой 6 – в 25–40% в тот же период. В июле 2014 года USGS повысила оценку риска для района Нью-Мадрид.

Beginning in February 1989, self proclaimed climatologist Iben Browning, who claimed to have predicted the 1980 eruption of Mount St. Helens and the 1989 Loma Prieta earthquake – predicted a 50% probability of a magnitude 6.5 to 7.5 earthquake in the New Madrid area sometime between December 1 and December 5, 1990. Browning appears to have based this prediction on particularly strong tidal forces being expected during that time, and his opinion that a New Madrid earthquake was "overdue;" however, seismologists generally agree that no correlation exists between tides and earthquakes. This contrasts to the rate of slip on the San Andreas Fault, which averages up to per year across California. On March 13, 2009, a research group based out of Northwestern University and Purdue University, funded by the USGS, reported in Science and other journals that the New Madrid system may be "shutting down" and that tectonic stress may now be accumulating elsewhere. In the November 5, 2009, issue of Nature, researchers from Northwestern University and the University of Missouri said that due to the lack of fault movement, the quakes along the faults may only be aftershocks of the 1811–12 earthquakes. According to the USGS, a broad consensus exists that the possibility of major earthquakes in the NMSZ remains a concern, and that the GPS data do not provide a compelling case for lessening perceived earthquake hazards in the region. One concern is that the small earthquakes that still happen are not diminishing over time, as would be if they were aftershocks of the 1811–12 events; another is that the 4,500 year archaeological record of large earthquakes in the region is more significant than 10 years of direct strain measurement. The USGS issued a fact sheet in 2009 stating the estimate of a 7–10% chance of a New Madrid earthquake of magnitude comparable to one of the 1811–12 quakes within the next 50 years, and a 25–40% chance of a magnitude 6 earthquake in the same time frame. In July 2014, the USGS increased the risk assessment for the New Madrid area.