Сложность динамического разрыва объясняет наблюдаемую азимутальную изменчивость источникового излучения землетрясений

Почему одни небольшие толчки ощущаются сильнее в определённых направлениях

Когда происходит землетрясение, мы часто представляем себе волны, расходящиеся равномерно во все стороны, как круги от брошенного в пруд камня. На деле же колебания могут быть значительно сильнее в одних направлениях, чем в других, даже при относительно небольших подземных толчках. В этом исследовании проанализированы десятки умеренных землетрясений в Центральной Италии и показано, что их сложное поведение при разрушении в глубине объясняет, почему в некоторых городах ощутимее сотрясения, особенно на высоких частотах, важных для зданий и инфраструктуры.

Внимательное изучение многих мелких итальянских землетрясений

Исследователи проанализировали 49 землетрясений магнитудой от 3 до 5, произошедших в недавних сейсмических сериях в Центральной Италии. Эти события регистрировались не менее чем 80 станциями каждое, что обеспечило плотную сеть наблюдений. Тщательно устраняя эффекты распространения волн и локальных грунтовых условий из данных, они получили так называемый «видимый спектр источника» на каждой станции: по сути, как сильно землетрясение излучало колебания на разных частотах в каждом направлении. Было обнаружено, что как характерная частота, где спектр перегибается («угловая частота»), так и скорость убывания энергии на высоких частотах существенно меняются в зависимости от направления вокруг каждого очага.

Односторонние толчки и более равномерные события

Чтобы проиллюстрировать эти закономерности, команда сосредоточилась на двух типичных событиях. Одно показало сильную направленность (директивность): разрыв по разлому распространялся предпочтительно в одном направлении, посылая более интенсивные высокочастотные колебания именно туда. Станции, расположенные вдоль этого фронта, зарегистрировали более высокие угловые частоты и более крутое затухание на высоких частотах по сравнению с станциями в противоположном направлении. Второе событие, напротив, излучало энергию более равномерно: спектры были схожи во всех направлениях и падение на высоких частотах было более пологим. По всей выборке из 49 землетрясений авторы обнаружили, что на каждой станции более высокие угловые частоты, как правило, идут в паре с более быстрым высокочастотным затуханием, что выявляет устойчивую связь, обычно скрытую при усреднении данных по станциям.

Моделирование неупорядоченных разрывов на реалистичных разломах

Чтобы объяснить эти наблюдения, исследователи обратились к физически обоснованным компьютерным моделям того, как разрушаются разломы. Вместо того чтобы рассматривать каждое землетрясение как гладкое, однородное соскальзывание по простому разлому, они построили тысячи моделей, в которых ключевые свойства разлома — напряжение, прочность и скорость ослабления при скольжении — случайным образом варьируются в пространстве, следуя реалистичным статистическим закономерностям. Эти «неровные» разломы дают разрывы, которые ускоряются, замедляются и взаимодействуют с малыми областями высокого напряжения, порождая всплески интенсивного смещения и обилие высокочастотных волн. Настраивая амплитуду мелкомасштабных расхождений, им удалось воспроизвести не только общие формы наблюдаемых спектров до 25 герц, но и детальные направленные различия, а также положительную связь между угловой частотой и скоростью высокочастотного затухания.

От простых шаблонов к диапазону поведений

Модели показывают, что знакомая спектральная форма «омега-квадрат», часто предполагаемая в моделировании землетрясений, возникает только при определённых уровнях сложности разлома. Когда свойства разлома почти однородны, разрыв происходит гладко, и высокочастотные колебания слишком слабы. По мере возрастания неоднородности энергия на высоких частотах увеличивается, и спектры всё ближе соответствуют тем, что измеряли в итальянских землетрясениях. Очень сильная неоднородность может приводить к особенно мощному высокочастотному излучению и к событиям, спектры которых во всех направлениях затухают медленнее обычного. Важно, что модели показывают: одна и та же базовая физика может объяснять как сильно директивные, так и более симметричные события, просто меняя степень мелкомасштабной сложности на разломе.

Что это значит для оценки опасности и повседневного риска

Для неспециалистов главный вывод таков: даже небольшие землетрясения — это не простые трещины, а сложные разрывы, которые могут посылать более сильные колебания в одни места, чем в другие. Это исследование демонстрирует, что реалистичные физически обоснованные модели, включающие мелкомасштабную сложность разломов, способны воспроизвести богатые направленные закономерности, наблюдаемые в реальных данных, включая взаимосвязь различных спектральных характеристик. Лучше моделируя происхождение и распределение высокочастотных колебаний, такие модели могут улучшить прогнозы движения грунта при будущих землетрясениях. В свою очередь, они дают более надёжные данные для строительных норм и оценок риска, помогая общинам лучше подготовиться к неравномерным и порой неожиданным способам, которыми может качнуться земля.

Цитирование: Joshi, L., Gallovič, F. & Sgobba, S. Dynamic rupture complexity explains observed azimuthal variability in earthquake source radiation. Commun Earth Environ 7, 329 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03326-0

Ключевые слова: разрыв землетрясения, сейсмические спектры, землетрясное движение грунта, Центральная Италия, сейсмическая опасность