Автор: В. А. МОРГУНОВ

стр. 4

Доктор физико-математических наук В. А. МОРГУНОВ, Объединенный институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН

Когда произойдет разрушительное землетрясение? Вопрос ключевой и для жителей районов, подверженных действию страшной стихии, и для специалистов-сейсмологов. Более столетия стоит перед геофизиками эта сложная проблема, практическая важность которой постоянно возрастает с развитием мегаполисов и экологически опасных технологий.

НАДЕЖДЫ И РЕАЛЬНОСТЬ

По масштабу времени существуют три вида прогноза землетрясений: долгосрочный (десятки-сотни лет), среднесрочный (месяцы) и краткосрочный (дни-часы). Каждый из них соответствует этапам созревания и проявления любого сейсмического события.

С древности люди отмечали признаки приближения подземного урагана: резко колеблется уровень воды в колодцах, исчезают или возникают родники, необъяснимо странно ведут себя домашние животные, порой наблюдается свечение ночной атмосферы... Такие явления нельзя отнести к разряду домыслов и легенд, их подтверждают современные инструментальные наблюдения. К названным предвестникам ныне добавились массовые сбои компьютеров, помехи в теле- и радиосвязи, нарушения в электросетях, подобные возникающим при сильных магнитных бурях. Правда, происходит это все-таки в исключительных случаях, да и сведения не всегда достоверны. В основном же землетрясения и в XXI в. возникают столь же внезапно, как и прежде.

Сегодня решена задача сейсмического районирования ^* , иначе говоря, долгосрочного прогноза. Детальные карты вероятности подземных ударов разной силы лежат в основе любого строительства в опасной зоне. Это важнейший элемент безопасности, но тем не менее без своевременного предупреждения о грядущей беде нельзя избежать тяжелых последствий. Поэтому так важен краткосрочный прогноз.

Заглянем в будущее. За сутки до предполагаемого толчка закрыты школы, остановлены заводы и транспорт, население большого города эвакуировано, перекрыты газовые магистрали, нефтепроводы, отключено электричество, приняты необходимые меры на химических производствах, атомных электростанциях и других опасных предприятиях. И землетрясение происходит, как было предсказано. Причем хотя разрушения оказались существенными, жертв среди людей не отмечено. А экономический ущерб от пожаров и загрязнения окружающей среды минимальный (напомним: основные потери, например, при землетрясении 1 сентября 1923 г., почти полностью уничтожившего Токио, вызваны не обрушением зданий, а гигантским пожаром; и Сан-Франциско в 1906 г. в большей степени пострадал от огненной стихии).

Но вернемся в настоящее. Землетрясения и их нередкие спутники - цунами - по числу жертв уступают лишь катастрофическим наводнениям. Положение усугубляет увеличение плотности населения и концентрация производства именно в сейсмоактивных регионах, которые, как правило, отличаются хорошими климатическими условиями. А ведь подобие Спитакской трагедии (1988 г.) в Армении может наложиться на схожую с Чернобыльской (1986 г.) на Украине во многих точках планеты, ибо тектонические подвижки происходят даже на относительно стабильных участках земной коры (платформах). Не случайно специалисты утверждают: нет сейсмически безопасных районов, есть только временно дремлющие разломы.

Однако если для прогнозов погоды используют искусственные спутники и густую сеть наземных метеостанций, то ничего подобного нет для предсказания землетрясений. И дело не только в финансах.

В настоящее время мировое лидерство по объему капиталовложений и интенсивности прогностических исследований принадлежит Японии. Тем не менее за тридцатилетний период ни одно из предсказаний, сделанных в рамках соответствующих программ, не оправдалось.

Так что есть все основания, казалось бы, для неутешительного вывода о принципиальной невозможности решения данной проблемы. Это отражает ставшую популярной в последнее десятилетие концепцию, согласно которой земная кора находится в состоянии самоорганизованной критичности (SOC - self organized criticality), не имеющей характерных размеров, и, следовательно, надежных оценок места, времени и силы сейсмического события не может быть. Такие взгляды разделяют известные ученые США, Западной Европы, России. Является ли SOC отражением физического процесса или же это не более чем обобщающая формулировка недостаточной изученности проблемы, ответит лишь физически обоснованный эксперимент.

ПРОГНОЗ ПОДТВЕРДИЛСЯ!

Приведенный выше набросок "светлого" будущего представляется фантастическим даже для XXI в. Но парадокс в том, что на самом деле это выдержка из отчета об одном из

^* См.: В. И. Уломов. Сейсмическая опасность на территории России. - Наука в России, 2001, N 6 (прим. ред.).

стр. 5

Всплеск акустического излучения, зарегистрированного на сейсмостанции Бакуриани за 16 ч до главного удара и в период активной фазы афтершоковой активности очага Спитакского землетрясения 7 декабря 1988 г. Стрелкой обозначен момент землетрясения.

краткосрочных прогнозов сильного землетрясения.

4 февраля 1975 г. в 2 ч дня в городе Хайчен (КНР) на двое суток объявили тревогу. Были остановлены предприятия. Эвакуированы сотни тысяч людей, для которых на открытой местности разбили палаточный лагерь. Представляете, какую ответственность взяли на себя те, кто отдал такой приказ. А в 19 ч 26 мин того же дня произошло землетрясение с М = 7,4. Почти весь жилой фонд стал непригодным, в руины превратились больницы и школы. Были разрушены заводы, повреждены плотины и другие инженерные сооружения. Человеческие жертвы же оказались единичными!

Такова первая в мировой практике ощутимая удача сейсмологов. Правда, стихия взяла реванш уже в следующем, 1976 г., когда в Китае произошло сильнейшее Таншанское землетрясение (М = 8,0), унесшее по различным оценкам от 700 тыс. до 1 млн. жизней. И до конца XX в. подобные события неожиданно потрясали Северное полушарие еще несколько раз.

Что же получается: принципиально землетрясения предвидеть можно, а реально это лишь счастливое стечение обстоятельств? Разберем приведенные примеры.

Точность хайченского прогноза определили два благоприятных фактора: последовательно нараставшие проявления предвестников и решительность властей провинции, которые прислушались к рекомендациям ученых. Иное дело - Таншанская катастрофа. И тогда признаки приближения землетрясения были вовремя обнаружены, но их характер оказался не столь ярко выраженным, как в предыдущем случае, хотя последовавший удар был в 7 раз сильнее. Специалисты предупредили о надвигающейся опасности, однако администрация не предприняла должных мер. Возможно, ученые не были достаточно настойчивы или уверены в своем предположении.

Итак, успех прогноза определяется тремя важными компонентами: научными методами и степенью их внедрения, наличием сейсмопрогностической службы и правовой основой. Кстати, в Хайчене недостаточную плотность наблюдательной сети компенсировал поток сообщений населения о необычных природных явлениях, прежде всего о массовом выходе змей в период их глубокой зимней спячки. По совокупности признаков руководство района решилось на беспрецедентную акцию остановки производства и эвакуацию населения.

Анализируя Таншанское землетрясение post factum, ученые выявили экстраординарную ситуацию, отмеченную военными и гражданскими службами: в течение трех суток до него на площади в радиусе до 250 км от эпицентра из-за сильных помех в эфире была практически парализована радиосвязь. Так ярко проявился предвестник тектонического потрясения, но своевременно на это не обратили внимания.

Отсутствие хорошо оборудованных станций - одна из главных причин трагедий в Спитаке, на российском острове Шикотан (1994 г.), в сахалинском Нефтегорске (1995 г.). Но то же происходит в технически развитых государствах: разрушительные землетрясения в Лос-Анджелесе в 1989 г. (США) и Кобе в 1995 г. в Японии (более 6 тыс. погибших, 27 000 пострадавших) застали население и ученых врасплох. Да и там некоторые признаки надвигающихся грозных событий были зарегистрированы. Однако в будущих районах бедствий в пассивном режиме работали лишь несколько наблюдательных станций. В США, как, впрочем, и в Европейском геофизическом союзе до по-

стр. 6

Отчетливая аномалия интенсивности электромагнитного излучения, зарегистрированная обсерваторией Инубо (вблизи Токио) за 4,5 ч до Шикотанского землетрясения 4 октября 1994 г.

следнего времени преобладало мнение о бесперспективности прогностических работ. Даже публиковать статьи на эту тему среди специалистов считалось дурным тоном. Такая реакция была вызвана прежде всего потоком малосодержательных сообщений и гипотез, построенных на скудном фактическом материале. Лишь в последнее время положение стало медленно меняться к лучшему.

КОНЦЕПЦИЯ САМООРГАНИЗОВАННОЙ КРИТИЧНОСТИ СРЕДЫ

Скептическое отношение к информациям о разного рода предвестниках в Геологической службе США основывается на отсутствии четких возмущений при прямых измерениях, регистрирующих деформацию и наклоны земной поверхности на геофизических полигонах. Но так ли это на самом деле?

Перед землетрясением Ландер (Калифорния, США) 22 июня 1992 г. с М = 7,3 в соответствии с научной программой измеряли уровень воды в скважинах. В трех из них перед событием он понизился от 0,15 до 0,3 м, а на четвертой, расположенной всего в 100 - 250 м от других, упал на 5 м. Различие более чем в 10 раз на расстоянии в сотни метров! Этот факт мог бы служить убедительным примером сложной мозаичной структуры геологического строения и поля напряжений, подтверждающей мнение японского геофизика Кейо Моги о том, что признаки надвигающейся беды имеют тенденцию проявляться в "избранных" точках тектонических структур. Но по мнению некоторых специалистов, столь противоречивые результаты не могут рассматриваться в качестве фактического материала.

Еще несколько примеров. Землетрясение вблизи Лос-Анджелеса в 1989 г. разразилось неожиданно. Хотя за два дня до него, по сообщению агентства Рейтер, радиолюбитель в местной печати дал прогноз возможного бедствия на основании сильных помех в эфире. Однако этот сигнал остался без должного внимания.

7 декабря 1988 г. в Спитаке рано утром по пути на работу люди с удивлением следили за грызунами, разбегавшимися от городского хладокомбината (аналогичные сообщения поступали из Японии перед катастрофой в Кобе). В то же время приборы, разработанные в Институте физики Земли им. О. Ю. Шмидта АН СССР и установленные на сейсмостанции Бакуриани, находящейся в 80 км от Спитака, фиксировали явные признаки приближающегося землетрясения. В течение 16 ч до первого удара самописцы, долгие месяцы чертившие почти прямые линии, метались, вырисовывая образ грозящей трагедии. Почему же начальник сейсмостанции не поднял тревогу? Во-первых, телефонная и телетайпная связь - единственная "нить" во внешний мир - тогда отсутствовала неделями. Во-вторых, для подобной акции нужны полномочия. А в Советском Союзе отсутствовала соответствующая юридическая основа, не были разработаны регламенты поведения должностных лиц, способы оповещения населения, люди не были готовы к сигналам тревоги. Все это и призвана делать служба краткосрочного прогноза, которой, увы, в нашей стране не существует и поныне.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРЕДВЕСТНИКИ

4 октября 1994 г. на Шикотане сейсмический удар был настолько сильным (М = 8,1), что этот самый большей в море остров Малой Курильской гряды погрузился на 0,6 м. Такая геологическая катастрофа, даже с точки зрения здравого смысла, не могла произойти внезапно. Правда, геофизические измерения там к тому моменту были остановлены из-

стр. 7

Аномалия интенсивности электромагнитного излучения на частоте 81 кГц, зарегистрированная обсерваторией Сугадайра (Япония) за 1 ч до двух последовательных толчков в 1980 г.

за отсутствия финансирования. Но на радиофизической обсерватории Инубо (вблизи Токио) по методу Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта уже в течение года проводились измерения электромагнитного излучения земных недр. И за 4,5 ч до события прибор зафиксировал аномальный всплеск, который японские специалисты посчитали отчетливым предвестником.

Эти их работы были продолжением исследований электромагнитных предшественников землетрясений, начатых в 1980 г. по совместному проекту СССР-Япония. Первые же измерения на территории Японии зарегистрировали четкий сигнал в электромагнитном поле перед двумя последовательными ударами. А впоследствии данный метод доказал свою эффективность в Греции, Франции, Италии, Болгарии и других странах.

Сводки состояния радиосвязи и опрос персонала наземных и корабельных служб связи на Шикотане показали, что аномальные эффекты в прохождении радиоволн в коротковолновом диапазоне были в районе эпицентра за 7 - 10 суток перед землетрясением. Непосредственно к моменту события здесь отчетливо наблюдалось свечение нижней атмосферы, которое, по словам штурмана корабля, находившегося в сотне километров от острова, напоминало "полярное сияние, идущее от Земли". Разумеется, подобные сведения важны, но останутся не более чем набором разрозненных фактов, если не будет научного обоснования.

ЭФФЕКТ ПОЛЗУЧЕСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

Землетрясение зреет десятки-сотни лет. Под влиянием напряжений в земной коре и верхней мантии возникают очаги будущих тектонических подвижек. Геологические масштабы времени определяют развитие ползучести (крипа) горных пород.

Эти процессы хорошо изучены для строительных материалов при расчете прочности сооружений. Практически в любом твердом теле, в том числе и в каменной толще, под действием длительной нагрузки материал "течет", что отчетливо видно на геологических обнажениях, где слои смяты в причудливые складки. "Текучесть" горных пород имеет три стадии: неустановившуюся, установившуюся и ускоренную (лавинную). В ходе первой скорость деформации со временем уменьшается, происходит упрочнение материала. Вторая - самая длительная - идет в земной коре с почти постоянной скоростью десятки и сотни лет. Третья скоротечна, и с ней связано появление краткосрочных (дни-часы) предвестников. Вероятность правильного прогноза в этот период наибольшая. Кстати, аналогичный процесс можно наблюдать в лаборатории: в результате длительного растяжения при приложении постоянной силы у образца материала возникает "шейка". Но если та же сила продолжает действовать на уменьшающееся сечение, то напряжение возрастает, что и приводит к ускорению разрушения.

В горных пластах лавинная ползучесть развивается преимущественно из-за образования трещин, в результате уменьшается несущее сечение, по которому и происходит разрыв.

Величины деформаций и их скорости убывают с удалением от минимального сечения "шейки", а характерные признаки будущего разрыва могут сохраняться, хотя неоднородность среды (разломы, контакты различных по физическим свойствам пород) вносит в них существенные изменения, приводя к мозаичности проявления сигналов на земной поверхности. С приближением момента землетрясения возмущения приобретают более четкий характер и идентифицируются уже как краткосрочный предвестник.

Однако не всегда стадия лавинной ползучести заканчивается разрушением среды. Перераспределение нагрузки может привести к замедлению процесса или его остановке. Этим объясняется многоликость образа сигнала, в том числе и "ложные тревоги" (правда, их процент невелик).

Лабораторные эксперименты подтверждают возникновение специфических признаков разрушения, что проявляется в изменении электромагнитного излучения, акустической эмиссии, электрического поля и токов. А наблюдения в природе показывают: контролировать эти показатели наиболее эффективно при "быстрых" деформациях. Так, спитакской катастрофе предшествовал мощный всплеск звуковых сигналов в диапазоне частот 1 - 10 кГц. Но из-за сильного затухания в горных породах они не могли распространиться на расстояние в 80 км от гипоцентра до сейсмической станции Бакуриани. А это означает, что источники данного излучения (трещины) находились в непосредственной близости от зафиксировавшего его датчика. Стало быть, накануне спитакской трагедии

стр. 8

Схематическое изображение кривых ползучести деформируемого твердого тела в условиях постоянной нагрузки Р: 1 - относительная деформация; 2 - скорость относительной деформации; S - поперечное сечение образца в шейке; t - время; I - неустановившаяся стадия, II - установившаяся стадия, III - ускоренная, лавинная стадия ползучести.

Модель возникновения землетрясения после окончания аномалии- предвестника. Сплошная кривая - деформация. Пунктир - скорость деформации. Стрелкой указан момент землетрясения при достижении деформацией предела прочности массива горных пород. Закрашенная область - аномалия интенсивности электромагнитного излучения. По вертикали - число импульсов в час, по горизонтали - время (сутки).

стр. 9

в районе сеисмостанции шло интенсивное разрушение каменных толщ.

Отметим: на явлении акустической эмиссии основаны методы дефектоскопии и технология обеспечения безопасности работ в шахтах. Однако регистрация звуковых признаков землетрясений требует специфических условий установки приборов и затруднена из-за многочисленных естественных и техногенных шумов.

Более результативен метод выявления электромагнитных предвестников. Вспомним о странных шумах в эфире при Таншанском, Лос-Анджелесском и Шикотанском землетрясениях. Возникшие тогда радиопомехи можно объяснить генерацией электромагнитного излучения на стадии неупругого деформирования верхних слоев горных пород; с тем же связано и странное поведение животных. Известны лабораторные опыты с животными в электромагнитном поле, доказывающие их однозначную реакцию на его колебания.

Первым изучил подобные явления советский физик А. В. Степанов. В 1933 г. он открыл эффект, названный впоследствии его именем, показавший, что деформационно-электрические процессы наблюдаются не только в кристаллах кварца (пьезо-эффект), но и в любом твердом теле в результате пластических деформаций. Позже эти исследования были продолжены отечественными специалистами. Полученные результаты отчетливо показали, что данный эффект не только существует, но и может быть использован в практических целях для дефектоскопии конструкционных материалов, а также для изучения масштабных деформационных процессов в горных толщах в условиях их естественного залегания (мониторинг тектонических подвижек, краткосрочный прогноз землетрясений, картирование и прогнозирование оползней, снежных лавин). Проблемы локализации источников сейсмоэлектромагнитного излучения и механизмов его генерации в природе изучены недостаточно полно. С наибольшей интенсивностью эти процессы протекают в очаговой зоне, но быстрое затухание волн при распространении через проводящие породы мешает их регистрации на поверхности. К тому же такое радиоизлучение достаточно однородно по интенсивности, без явной зависимости от глубины, силы землетрясения и удаленности эпицентра. Следовательно, его источники следует искать вблизи земной поверхности.

КРАТКОСРОЧНЫЙ ПРОГНОЗ ВОЗМОЖЕН

5 апреля 1997 г. китайские ученые сигнализировали о возможности раз-

стр. 10

рушительного землетрясения. В ночь перед предполагаемой катастрофой администрация автономного района Синжан эвакуировала более 150 тыс. жителей. И тут же два подземных удара (с М = 6,4 и 6,3) разрушили 2000 домов, привели в аварийное состояние еще более 1500, но ни один человек не погиб.

Конечно, два успешных прогноза специалистов Китая - 4 февраля 1975 г. и 3 апреля 1997 г. - за 20 лет можно объяснить удачным стечением обстоятельств. И все-таки ситуация не безнадежна: ныне разработан метод, позволяющий с большой вероятностью предсказывать сейсмическую опасность за один-два дня или несколько часов до самого события. Многолетние исследования, проведенные сотрудниками нашего института в различных сейсмоактивных районах страны и за ее пределами, доказали практическую значимость этого метода, реализованного в программно-аппаратном комплексе "Аларм-Сейсмо", который отмечен дипломами и золотыми медалями на международных салонах в Брюсселе (1999 г.), Москве (2000 г.) и Женеве (2001 г.). Он предназначен для краткосрочного и оперативного прогнозирования времени землетрясения и может быть также использован для контроля за оползнями, сходом снежных лавин, тектоническими подвижками, что важно, например, при эксплуатации трубопроводов. С его внедрением на Северном Кавказе за последние десять лет государственным предприятием "Кавказгеолсъемка" Министерства природных ресурсов РФ успешно предсказан ряд локальных землетрясений.

Установка одного или нескольких комплектов соответствующей аппаратуры позволяет определять сейсмически опасные периоды времени. Тем самым решается задача предупреждения населения, профилактика нештатных ситуаций на АЭС и других экологически вредных производствах. Хотя при всех достоинствах метод не гарантирует абсолютной достоверности краткосрочного прогноза. Решение данной задачи в полном объеме потребует значительных средств, создания наблюдательной сети наземных станций и привлечения космических технологий, использования мощных центров сбора и обработки информации в реальном времени.

И еще. Известная закономерность всплеска сейсмической активности, проявляющаяся в каскаде сильных землетрясений, происходящих за короткие временные интервалы в удаленных друг от друга регионах или на различных материках, соответствует представлениям о литосфере, как о единой структуре, где напряжения в какой-либо точке в той или другой степени передаются системе в целом. Недавний пример тому - серия разрушительных подземных ураганов, прокатившихся в 1999 г. от Тайваня до Турции и Греции (в Турции он оказался самым страшным за более чем столетие:: свыше 18 тыс. учтенных погибших, 30 - 35 тыс. оставшихся под развалинами, 23 тыс. раненых, 500 тыс. лишившихся крова; материальный ущерб порядка 25 - 40 млрд. дол.). Причем некоторые специалисты, в точ числе доктор геолого-минералогических наук А. А. Никонов из нашего института, уверены: беду 1999 г. можно было предвидеть, если бы больше внимания уделяли анализу сведений о разрушительных событиях, свершавшихся тут в историческом прошлом ^* . Вот почему в перспективе нет альтернативы созданию единой мировой службы прогноза землетрясений. Такова геофизическая проблема, достойная нового столетия!

^* См.: А. А. Никонов. Катастрофа в Турции: неожиданность? - Наука в России, 2000, N 1 (прим. ред.).

Постоянный адрес данной публикации: