Автор: Доктор физико-математических наук О. К. КОНДРАТЬЕВ, Всероссийский научно-исследовательский институт геофизических методов разведки (ВНИИГеофизика) Министерства природных ресурсов РФ

В последний год XX в. наша планета вновь напомнила о себе несколькими катастрофическими подземными толчками - в Турции, на Тайване, в Калифорнии. Они опять возбудили волну повышенного интереса к поиску ответа на вопрос: способно ли человечество научиться предсказывать подобные губительные природные явления и бороться с ними? Некоторые западные ученые считают, что эффективный прогноз землетрясений пока недостижим: в многолетних попытках решить эту проблему нет заметных продвижений, хотя ею заняты крупные научные коллективы многих развитых стран.

--------------------------------------------------------------------------------
Статьи данной рубрики отражают мнение автора (прим. ред.)
--------------------------------------------------------------------------------
ЕСЛИ ПРАВИЛЬНО ПОСТАВИТЬ ЗАДАЧУ

Я бы согласился с заключением о недостижимости прогноза, но с одной оговоркой - если оставаться на традиционных путях поиска. Для более четкой постановки задачи надо рассмотреть всю проблематику катастрофических землетрясений. Ее можно разделить на три главные части: прогноз места и времени будущих событий; оперативное оповещение о тех из них, которые уже начались; предотвращение землетрясений. Как ни странно, но идеи решения двух последних, технически более трудоемких этапов, кажутся понятнее. Чтобы разобраться в сути обсуждаемого, пойдем "вспять" - от третьего этапа к первому, исходя из общепризнанного представления: сейсмический толчок - следствие накопления и разрядки колоссальных напряжений в земной коре, обусловленных ее тектоническими движениями.

Когда говорят о предотвращении землетрясений, речь идет, конечно, не о том, чтобы остановить или по-другому направить такие движения, а лишь о попытках изменить их характер, т.е. резкий скачок прорыва накопившихся напряжений "разменять" на дробную многоступенчатую разрядку. Тем самым вместо крупного катастрофического события происходит серия слабых толчков. Впрочем, можно поставить задачу проще - образно говоря, спровоцировать "преждевременные роды". Ведь сильная встряска геологической среды способна сыграть роль спускового механизма для начала землетрясений. И для достижения этого вполне достаточно энергии атомного взрыва в недрах на безопасной глубине (несколько сот метров). Тогда можно предварительно эвакуировать население из опасной зоны и, насколько возможно, обезопасить крупные промышленные объекты.

Следующая проблема - оповещение о начавшемся опасном событии. Возможно ли такое и что оно даст? Природа отпустила очень мало времени от начала землетрясения в его очаге до прихода на поверхность сейсмических волн, ибо скорость их распространения - несколько километров в секунду. Очаги сильных толчков обычно расположены на глубине 10-20 км, радиус их разрушительного действия от эпицентра не превышает нескольких десятков километров. Значит, от начала землетрясения до его катастрофических последствий проходит лишь несколько секунд. На первый взгляд, это ничтожно короткий промежуток, за который нельзя ничего предпринять. Оказывается, не совсем так. Для доказательства воспользуемся следующей аналогией. Современные комфортабельные автомобили снабжены надувными мешками, спасающими людей, находящихся в машине, при ее столкновении с жестким препятствием. Путь и время распространения возникающей при этом ударной волны ничтожно малы. Но автоматика успевает сработать и предотвратить губительные последствия аварии.

Кроме того, сильное землетрясение не начинается мгновенно, ему предшествует определенный этап развития. И если зафиксировать самое его начало, это даст еще несколько минут, а иногда и часов для своевременного оповещения.

Что нужно сделать для реализации подобной предупредительной системы в случае землетрясений? Прежде всего датчик, фиксирующий начало толчков, должен быть как можно ближе к его очагу. Другими словами, необходимо поместить "гирлянду" сейсмографов в скважине глубиной 5-7 км, пробуренной в каждой очаговой зоне. Подключенные к ним автоматические системы в случае сильного землетрясения обесточат электрические линии и взрывоопасные производства, прекратят подачу газа и перекроют нефтепроводы, погасят реакторы атомных электростанций и т.п. Несколько секунд, а тем более минут, предоставленных для такого реагирования, вполне достаточно, чтобы выполнить перечисленные действия.

Подобные системы для наиболее опасных промышленных объектов вроде АЭС уже разрабатывают, а кое-где их даже применяют. Однако подчеркну: они принесут пользу, только если будут развернуты во всех крупных городах, расположенных в сейсмоопасных зонах. Конечно, на первый взгляд может показаться, что речь идет об очень дорогих технологиях. Но согласно расчетам, расходы на них не идут ни в какое сравнение с затратами на восстановление разрушенных при стихийных катастрофах городов и промышленных объектов, не говоря уже о человеческих жертвах.

Разумеется, и оповещение, и предотвращение землетрясений возможно тогда, когда точно определено положение очага и специалисты непрерывно отслеживают в этом месте изменение напряженного состояния горных пород. Лишь в таком случае заранее, до начала толчка, можно привести в "боевую готовность" автоматизированные системы безопасности, эвакуировать людей из крупных зданий, временно закрыть школы, перевести промышленные предприятия на специальный режим работы и т.д.

Итак, во всей интересующей нас проблематике решающую роль играет определение места и времени возникновения опасного события. При этом положение эпицентра очага (проекции его на земную поверхность) должно быть известно с точностью до километра, а время события - в пределах суток до его начала. В любом ином варианте губительные последствия сильных землетрясений минимизировать нельзя.

В настоящее время под долгосрочным и среднесрочным прогнозом понимают определение района и силы потенциально возможных сейсмических толчков с указанием примерных сроков их возникновения. По сути дела, это задача сейсмического районирования территории. Для ее решения широко используют вероятностные оценки, а они в принципе неприменимы при строгом определении места и времени возможных толчков. Последняя задача получила название краткосрочного прогноза. Однако для него пока нет четких требований к пространственным и временным рамкам предсказываемых событий, а без этого нельзя достичь и конечной цели - заблаговременно принять меры по смягчению последствий катастрофы.

ПОИСК ПРЕДВЕСТНИКОВ -ТУПИКОВЫЙ ПУТЬ

Задачу прогнозирования землетрясений в СССР впервые поставили 50 лет назад, после разрушительного Ашхабадского землетрясения 1948 г.(*). А самую первую научную программу по этой тематике составил один из создателей разведочной геофизики, директор Геофизического института АН СССР академик Г. А. Гамбурцев (1903-1955). В ней был намечен, а потом стал реализовываться путь развития физических основ и создания новых (геофизических) способов исследования земной коры - глубинное сейсмическое зондирование, корреляционный метод изучения землетрясений, вертикальное сейсмическое профилирование в скважинах, азимутальные наблюдения с целью поляризационного анализа сейсмических волн и др. К сожалению, Г. А. Гамбурцев рано ушел из жизни. А вскоре и сейсморазведочные работы (включая прогноз землетрясений на их основе) в этом институте практически свернули.

Преобладающим же направлением в области прогноза стал поиск предвестников землетрясений по следующей схеме. Осуществляется непрерывный ряд измерений какого-либо параметра геофизического поля, строятся кривые его изменения во времени и на той же временной шкале отмечаются моменты сравнительно крупных землетрясений, произошедших как в данном, так и в любом другом регионе. Считается, что предвестником последних может быть та или иная особенность на графике соответствующего параметра, повторяющаяся перед несколькими сильными событиями. Кроме геофизических полей, изучается деформация земной поверхности, эманация инертных газов, вариации уровня грунтовых вод и другие характеристики.

При подобном поиске предвестников регулярно возникали сначала обнадеживающие, но в дальнейшем не оправдывавшие себя методики. Появилось и немало псевдонаучных спекуляций. Так, на заседании коллегии Министерства геологии СССР, которое состоялось вскоре после Спитакской катастрофы 1988 г. и посвящалось проблемам прогноза, всерьез был доложен факт "удачного обнаружения" предвестника данного землетрясения по изменению химического состава морской воды... у Крымского побережья. Для многих подобных "открытий" характерно то, что в подтверждение якобы своей правоты авторы приводят только совпадающие с их построениями факты, замалчивая или игнорируя противоположные. Более того, при этом обычно отсутствует какая бы то ни было гипотеза или хотя бы схема физической связи измеряемого параметра с прогнозируемым явлением.

Нельзя, конечно, отрицать, что поиск предвестников может случайно привести к выявлению каких-либо новых связей между разнородными явлениями. Однако нужно отдавать себе отчет: любое из них формируется под воздействием множества разнообразных факторов, и среди них изменения напряженного состояния в глубинах земной коры могут оказаться практически незначимыми. Поэтому для каждого из таких косвенных признаков вначале нужно выявить и исключить влияние более значимых факторов, а затем обосновать существование какой-то физической связи данного "предвестника" с напряженным состоянием среды на глубинах в несколько десятков километров.

Из сказанного следует: поиск предвестников землетрясений бесперспективен, ибо, во- первых, они не универсальны для различных сейсмоопасных зон с неодинаковым геологическим строением. Во-вторых, сами тектонические процессы в несхожих геологических условиях протекают по-разному и также по-разному будут проявляться в косвенных признаках. Отсюда, в частности, следует: для различных регионов нужно разрабатывать свои специфические методики прогноза землетрясений. Вообще же примеры успешного прогноза землетрясений по предвестникам крайне редки и не выходят за рамки вероятности простого угадывания событий.

Посмотрим с этих позиций на хотя бы мало-мальски обоснованные методики прогноза по косвенным признакам. В прежние годы на Северном Кавказе работал гидродинамический полигон для предсказания землетрясений по изменению уровня грунтовых вод во множестве скважин, пробуренных на довольно обширной территории. Предполагалось, что изменение напряженного состояния геологической среды в этой сейсмоопасной зоне захватывает не только большие глубины, но и верхнюю часть земной коры. Однако на последнюю в то же время, но в еще большей степени влияют сезонные вариации атмосферных осадков, технический отбор воды, другие факторы, заведомо более значимые, чем напряженность среды. Если глубинные условия здесь и сказываются, то в зависимости от характера и места расположения очагов землетрясений можно ожидать как сжатия, так и растяжения горных пород приповерхностной части разреза, а следовательно, и разного поведения уровня грунтовых вод. Что же касается таких предвестников, как эманация инертных газов из недр, то она сильно зависит от проницаемости пород в различных местах и по-разному реагирует на изменение напряженного состояния среды. Отмечаемое иногда свечение верхних слоев атмосферы перед сильным землетрясением тоже не обязательно связано с ним.

Кроме перечисленных, есть еще один весьма существенный недостаток методики прогноза по предвестникам. Поясним на примере. После распада СССР число сейсмоопасных регионов в нашей стране заметно сократилось, и сейчас в России остался практически один прогностический полигон вблизи Кавказских Минеральных Вод. По утверждению работающих там специалистов, у них есть опыт наблюдения некоторых характерных признаков,

--------------------------------------------------------------------------------
*См.: А. А. Никонов. Как было не предсказано Ашхабадское землетрясение. - Наука в России, 1998, N 6 (прим. ред.).
--------------------------------------------------------------------------------
появляющихся перед средними по силе толчками в Дагестане и других примыкающих районах. Предположим, что эти признаки окажутся устойчивыми. Но тогда при декларируемой их большой "чувствительности" к подземным событиям на достаточно обширной территории (а для сильных землетрясений она должна еще расшириться) ценность прогноза заключается в отмене ложных предсказаний - по нему нельзя объявлять тревогу и принимать профилактические меры во всем Кавказском регионе. Да и сам прогноз, пусть и по геофизическим, но все же косвенным признакам, вряд ли надежен. Это подтверждает, в частности, следующий факт: по наблюдениям на прогностическом полигоне в Турции местные специалисты, а также немецкие, американские и японские ученые недавно оценили вероятность крупных землетрясений в этом регионе на ближайшие пять лет всего в 13%. Но именно тут в 1999 г. произошли два сильнейших сейсмических толчка(*).

Все сказанное позволяет, на мой взгляд, сделать вывод: решение проблемы прогноза землетрясений по предвестникам ведет в тупик.

ПУТЬ К УСПЕХУ -РАЗВЕДОЧНАЯ ГЕОФИЗИКА

Поскольку сейсмические толчки непосредственно связаны с накапливанием и разрядкой больших напряжений в земной коре, то единственный прямой путь прогноза и контроля за этим процессом - поиск способов и разработка методик дистанционного измерения напряжений. Последние обязательно приводят к определенной перестройке и изменению физико-механических параметров среды в очаговой зоне, которые и формируют геофизический отклик среды на воздействие на нее, в первую очередь при возбуждении искусственных сейсмических и электромагнитных полей. Поэтому есть все основания утверждать: проблему прогноза землетрясений можно решить только методами разведочной геофизики.

Подобные попытки, связанные с осуществлением идей академика Г. А. Гамбурцева, предпринимали и раньше. Так, один из его учеников доктор физико-математических наук В. И. Мячкин в 70-е годы проводил просвечивание разломных зон на Камчатке методом преломленных волн. Он надеялся зафиксировать изменения скоростей их распространения при накапливании там напряжений. Однако наблюдения оказались недостаточно информативными для прогноза. Причина неудачи состояла

--------------------------------------------------------------------------------
*См.: А. А. Никонов. Катастрофа в Турции: неожиданность? - Наука в России, 2000, N 1 {прим. ред.).
--------------------------------------------------------------------------------
в том, что при использовании данного метода сейсмический луч проникает в земную кору на большую глубину, если отойти от взрывного источника колебаний на расстояния порядка 100 км. В этом случае большая часть пути волн по лучу проходит вне просвечиваемой очаговой зоны, и на сейсмические характеристики преломленных волн влияют изменения свойств среды не только в очаговой зоне, но и на всем пути волн.

Не вполне удачной оказалась и разрабатываемая позднее на Гармском полигоне (Таджикистан) под руководством доктора физико-математических наук И. Л. Нерсесова другая методика - в ней использовали изменение соотношения скоростей распространения продольных и поперечных волн на основе записей землетрясений сейсмологическими станциями. Но в этом случае сейсмические волны не всегда проходят через конкретную, интересующую наблюдателей потенциально очаговую зону.

С моей точки зрения, путь решения задачи заключается в применении одного из способов разведочной геофизики - дистанционного слежения за изменениями напряженного состояния среды методом отраженных сейсмических волн. Ими можно зондировать непосредственно очаговую зону и, что особенно важно, их динамические (спектральные) характеристики определяются главным образом физико- механическими параметрами среды в местах отражения, т.е. в точках потенциального толчка. Сейчас данный метод позволяет изучать земную кору по всей ее толщине - до 40-50 км. А очаги самых сильных землетрясений обычно отмечают на глубинах 10-20 км.

Чтобы не быть голословным, приведу два примера. Первый -сейсмический разрез, полученный при специальной обработке сейсмограмм в районе Кольской сверхглубокой скважины. Он дал достаточно надежное представление о структуре земной коры в верхних 12 км. Здесь находится Печенгская свита расслоенных кристаллических пород, которые в северном направлении профиля выходят на поверхность. Именно это и отразилось на данном сейсмическом разрезе, что доказывает достоверность выделенных глубинных отражений.

Второй пример - результат обработки сейсмограмм до глубины 40 км на 70- километровом участке регионального профиля, пересекающего Урал. Здесь также отображены крупные зоны земной коры с повышенными и пониженными отражательными свойствами. По уже упомянутым физическим представлениям, очаговые зоны землетрясений будут видны в виде "ярких пятен"; их цвет меняется в зависимости от напряженного состояния пород. Значит, проблема сводится к тому, чтобы проградуировать цветовую шкалу в параметрах напряженности среды и отметить на ней критическую точку начала катастрофического разрушения пород.

Итак, просматривается следующая методика прогнозных наблюдений. Сначала надо выполнить региональные профильные исследования земной коры в опасных районах с помощью сверхглубинного метода отраженных волн с тем, чтобы, привлекая все имеющиеся геолого-геофизические и сейсмологические данные, выявить потенциальные очаговые зоны (скорее всего для этого потребуется ряд повторных профильных наблюдений). Затем уже непосредственно в зонах возможных очагов нужно провести мониторинг площадных зондирований, причем с такой частотой наблюдений, которая необходима для отслеживания процесса накапливания напряжений. Вблизи крупных городов или промышленных сооружений (АЭС, гидростанций и т.п.), кроме наблюдений на поверхности, в мониторинг включают регистрацию сейсмических волн в глубокой скважине - с целью перехода наблюдений в режим ожидания и посылки сигнала оповещения о начавшемся землетрясении.

Ясно, что продвижение по предлагаемому пути потребует крупных исследований, прежде всего связанных с оценкой принципиальных возможностей дистанционного отслеживания изменяющегося состояния среды на больших глубинах и градуирования упомянутой шкалы напряженности. Камень преткновения в решении этого вопроса - правильный выбор места и времени для опытных работ. Ведь можно годами проводить измерения в каком-либо районе и не получить никаких результатов, поскольку заранее неизвестно, изменяется ли здесь состояние среды. Однако природа предоставила нам выход из положения: если напряжения накапливаются десятилетиями и в неизвестном нам месте, то обратный процесс - их разрядка после первого разрушительного толчка - происходит в точно определенной очаговой зоне и в более короткий срок. Тем не менее времени достаточно для организации и проведения необходимой серии наблюдений, если, конечно, есть специально подготовленные геофизические экспедиции быстрого реагирования на подобные чрезвычайные ситуации. Изучив особенности изменения геофизических полей на разных стадиях разрядки напряженного состояния среды, можно составить четкие представления о том, что следует ожидать здесь в дальнейшем, а затем выбрать и применить наиболее эффективный комплекс методов измерений и интерпретации полученных данных. Необходимо к тому же дополнить сейсморазведку другими геофизическими методами, пригодными для определения вещественного состава и напряженного состояния среды.

Предлагаемая новая парадигма решения проблемы прогноза землетрясений представляется достаточно обоснованной и перспективной. В отличие от концепции поиска предвестников, она, во-первых, отвечает принципу: у сложных задач не бывает простых решений. А ведь прогноз развития тектонических процессов в земной коре - задача сверхсложная. Во-вторых, предлагается решать физические задачи путем прямых измерений и изучения самого физического процесса, а не возможных его косвенных проявлений.