Член-корреспондент РАН Г. А. СОБОЛЕВ, Объединенный институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН

Среди природных стихий едва ли не самые грозные и опасные - землетрясения. Их предсказание - трудная научная задача. Для ее решения специалисты используют разные методы, в том числе лабораторное моделирование, которое дает обнадеживающие результаты.

стр. 20

В каменной оболочке планеты - литосфере - порой возникают гигантские трещины. Движущиеся края разрыва излучают упругие волны. Распространяясь со скоростью нескольких километров в секунду, они быстро достигают земной поверхности и нередко вызывают катастрофические последствия.

Именно так происходит землетрясение. Согласно геологическим и сейсмологическим данным, это результат внезапной разрядки динамических напряжений, вызванных процессами, идущими в недрах Земли (дифференциация вещества, конвективные течения каменных масс и т.д.).

В некоторых случаях длина трещин, выходящих из глубин планеты на поверхность, достигает сотен километров, а вертикальные и горизонтальные смещения краев разрыва - нескольких метров. Например, после Спитакского землетрясения 7 декабря 1988 г. в 8 км от полностью разрушенного города появился уступ высотой до 2 м. Правда, уже через десятилетие только специалист мог бы заметить следы прежнего смещения - ведь земля быстро залечивает раны. А люди вновь строят дома в тех местах, где некогда пронесся "подземный ураган".

Сейсмические удары происходят чрезвычайно быстро, но вызывают тяжелейшие последствия: в считанные секунды уничтожаются города и поселки, гибнут сотни и тысячи жителей (до миллиона!). Если экстраполировать сведения о числе жертв этих катастроф в XX в. на ближайшее будущее, придем к выводу: в текущем десятилетии от них пострадает не менее 300 - 350 тыс. человек, а сумма материального ущерба составит 100 - 150 млрд. долл. США.

В России сейсмически опасны прежде всего Камчатка, Курильские острова, Сахалин, Прибайкалье, зона БАМа и Северный Кавказ ^* . За те же 10 лет в нашей стране подвергнутся опасности тысячи людей, а экономический урон, вероятно, приблизится к 300 млрд. руб. Эти огромные цифры существенно уменьшатся, если удастся решить проблему краткосрочного (в днях и часах) прогноза землетрясений и как можно более точного определения их эпицентров.

Известно, что сильным толчкам предшествуют серии слабых, а также аномалии электрического и магнитного полей, выбросы радона, гелия, других газов. Отмечается падение или, наоборот, резкое повышение уровня подземных вод, возникают беспокойство или паника домашних и диких животных.

Однако подобные предвестники наблюдаются не всегда и не везде, их сочетание и длительность весьма изменчивы, а физическая природа до конца не выяснена. Поэтому важно понять закономерности образования очага подземных ударов. Одних же наблюдений за динамикой естественных землетрясений явно недостаточно: они происходят каждый раз в новых геологических условиях, на разной, подчас значительной глубине, где о свойствах пород приходится судить лишь по косвенным данным. Далеко не всегда удается провести предварительное изучение в полном объеме; ведь в подавляющем большинстве случаев катастрофа все-таки происходит неожиданно.

Безусловно, на многие вопросы может дать ответ строгий физический эксперимент. Однако он подразумевает повторяемость опыта при контролируемых условиях его проведения. Это осуществимо только в лаборатории, т.е. когда в образцах горных пород при разрывах излучаются упругие волны, сходные по своим параметрам с сейсмическими колебаниями при землетрясениях. Конечно, опытная модель заведомо упрощена в сравнении с чрезвычайно сложной толщей литосферы, а потому закономерности, обнаруженные в искусственной обстановке, требуют сопоставления с материалами наблюдений за реальными событиями.

Основная трудность подобных лабораторных исследований связана с невозможностью более или менее адекватно скомпенсировать эффект времени. В земных недрах условия для резких тектонических нарушений создаются сотни, тысячи лет, а опыт нужно провести в считанные часы.

Только недавно на аппаратуре, разработанной Геологической службой США (Менло-Парк, Калифор-

^* См.: В. И. Уломов. Сейсмическая опасность на территории России. - Наука в России, 2001, N6 (прим. ред.).

стр. 21

График последствий от землетрясений в мире. Точки - средние значения за десятилетия нанесенного материального ущерба и числа жертв.

Изменение акустической активности при моделировании микроземлетрясения в образце гранита. Красным показаны сигналы, идущие непосредственно из очага, синим - из окружающих его областей. Диаграмма в верхней части демонстрирует распределение в образце микротрещин, концентрирующихся в очаге через 14200 с после начала опыта.

ния), было выполнено уникальное моделирование очага подземного удара. В работе участвовали и специалисты Объединенного института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН, Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН.

Суть эксперимента заключалась в следующем. Образцы помещали в специальные камеры и подвергали высокому давлению. Затем увеличивали вертикальную нагрузку, в результате чего в испытуемом гранитном монолите возникали разрывы, вызывавшие своего рода микроземлетрясения. Им сопутствовали акустические сигналы (аналоги сейсмических колебаний). Таким образом было наглядно продемонстрировано развитие разрушительного тектонического процесса.

Через 14 200 с после начала опыта в деформируемом граните появился очаг микроземлетрясения в виде скопления множества трещин. Одновременно значительно изменилась акустическая активность, порожденная этим процессом. Сигналы, поступающие из окружающих очаг областей, в определенный момент затихали, а количество импульсов, идущих непосредственно из очага, стремительно возрастало, что соответствовало стадии активизации. Есть все основания интерпретировать эти показатели как предвестники землетрясения.

Еще одним прогностическим признаком может служить "рождение" кластеров - комплекса характерных звуковых колебаний, идущих от близко друг к другу расположенных во времени и пространстве разрывов. Они появляются с началом

стр. 22

Диаграмма поступления сигналов, идущих от разрывов в образце гранита. Единичные сигналы - зеленые точки (1), двойные - синие (2), кластеры - красные (3). Порождающие их микротрещины со временем скапливаются в очаге микроземлетрясения. В результате резко уменьшается разброс точек по оси ординат, где показано расстояние от плоскости смещения по вертикали.

стр. 23

Карта распределения предвестников землетрясений. Вверху - период затишья (в стороне от эпицентра, отмеченного звездочкой). Внизу - период активизации; кластеры слабых сейсмических ударов отмечены крестиками. П. К. - Петропавловск-Камчатский, У. К. - Усть-Камчатск.

формирования очага. Порождающие их микротрещины концентрируются в центре будущего разрыва. Таким образом, предвестник одновременно указывает и время, и место моделируемого микроземлетрясения. При этом быстро падает приложенная к образцу нагрузка, так как скальный монолит теряет свою несущую способность и начинает разрушаться.

К сожалению, сейсмолог не может наблюдать подобные процессы, происходящие в глубинах литосферы, чтобы сопоставить их с лабораторными моделями. Видимо, в природе тектоническая активность вызывается сочетанием разных факторов, которые не учитываются в условиях опыта. Тем не менее в отдельных случаях удается выявить упомянутые выше предвестники сильных подземных ударов.

Разработанные в нашем институте алгоритмы позволяют обнаружить периоды сейсмического затишья, активизации и кластеры на фоне разнообразных шумов. В этих случаях анализируются сигналы, поступающие от не представляющих опасности многочисленных слабых толчков.

Интересные и обнадеживающие результаты дало изучение материалов, связанных с крупными землетрясениями на Камчатке (2 марта 1992 г., 13 ноября 1993 г. и 5 декабря 1997 г.), методом определения прогностического параметра RTL, получившего международное признание. Аббревиатура RTL (region-time-length) означает "район-время-длина разрыва". При этом фиксируются нулевые отметки, отвечающие уровню многолетнего сейсмического фона. Его понижение на несколько единиц среднеквадратической ошибки (а) достоверно фиксирует затишье. Последующее возвращение к нулевому уровню указывает на приближающееся землетрясение.

В указанном районе сейсмический покой устанавливался за 3 года до мощного толчка, а стадия активизации длилась около 1,5 лет. Перед Камчатским землетрясением 5 декабря 1997 г. информация о наиболее сильном подземном ударе была передана в Министерство по чрезвычайным ситуациям Российской Федерации. Прогноз был сделан за 16 месяцев до события.

Очень показательно расположение предвестников в пространстве. Затишье проявляется в стороне от эпицентра, а вот активизация - непосредственно в его районе. Здесь же за год до резких колебаний возникли кластеры. Словом, подтвердились закономерности, выявленные в результате лабораторных экспериментов.

Аналогичные материалы получены при исследовании других сильных землетрясений в России, а также Японии, Турции, Италии, США Однако в этих случаях прогностические аномалии выделены лишь ретроспективно.

По существующему "кодексу этики", ученые обязаны все прогнозы о тектонических катастрофах, кото-

стр. 24

Изменение со временем прогностического параметра RTL по материалам землетрясений на Камчатке 2 марта 1992г. (1), 13 ноября 1993 г. (2), 5 декабря 1997г. (3). Нулевые отметки - уровень многолетнего сейсмического фона. Понижение на несколько единиц среднеквадратической ошибки (о) фиксирует период затишья. На графиках видно, что сейсмический покой устанавливался за 3 года до мощного толчка; стадия активизации длилась около 1,5 лет. Белая стрелка указывает дату, когда информация о сильном подземном ударе была передана в Министерство по чрезвычайным ситуациям РФ. Звездочки - эпицентры землетрясений.

рые могут произойти на иностранной территории, передавать коллегам соответствующих стран в рабочем порядке, а не объявлять официально. Эта рекомендация, принятая международным сейсмологическим сообществом, вполне оправдана. Она призвана предотвратить возможную панику, вызванную таким известием, что уже само по себе грозит серьезным материальным ущербом вне зависимости от того, сбудутся предсказания или нет. Тем более, что их вероятность пока невысока. Часто встречаются и "ложные тревоги", которые в ряде случаев могут квалифицироваться как экономические диверсии.

Что же необходимо для надежных прогнозов? Прежде всего - глубокое понимание природы предвестников; оперативный сбор данных о появлении аномалий в различных геофизических полях; использование накопленного опыта точных предсказаний землетрясении. Кроме того, важно продолжать лабораторные эксперименты и наблюдения на специально оборудованных площадках.

С начала 90-х годов XX в. некоторые прогностические полигоны в нашей стране, к сожалению, были закрыты, значительно уменьшилось число станций, регистрирующих изменения сейсмических параметров. Сейчас началась работа по их восстановлению.

По аналогии с метеосводками можно сказать, что геофизики теперь научились объявлять примерное время и место "подземной грозы", но им еще очень далеко до верного и оперативного определения координат во времени и пространстве отдельных разрядов "молний".

В настоящее время наибольшую пользу приносит среднесрочный прогноз, позволяющий с высокой вероятностью указать место сильных подземных толчков в интервале нескольких месяцев или лет. Его главные цели не предполагают эвакуацию населения, а направлены на заблаговременную подготовку людей к ожидаемой катастрофе, планирование и проведение соответствующих строительных работ, укрепление наименее устойчивых зданий и других сооружений, выселение жителей из ветхих домов и т.д.

В будущем не исключено искусственное инициирование слабых землетрясений с помощью взрывов, электромагнитных полей и иными способами. Цель таких мероприятий - снизить динамические напряжения в предполагаемом очаге и тем самым уменьшить опасность внезапных мощных сейсмических ударов. Сейчас в лабораториях проводят опыты для определения необходимой силы, частоты и длительности таких воздействий. Подобные исследования открывают новые перспективы в противостоянии человека с одной из наиболее грозных природных стихий.

Permanent link to this publication: