рошмы. Певск. Решения
ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ: ОТ ЛАБОРАТОРИИ К ОЧАГУ
Член-корреспондент РАН ПЛ. СОБОЛЕВ,
Объединенный институт физики Земли ________им. 0.10. 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.
Так выглядел один из районов Спитака (Армения) до разрушения в 1988 г., когда подземная бур я разрушила весь город до основания.
йроЯявмы. Поиск. Решения 2
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 недоста-
* См.: В.И. Уломов. Сейсмическая опасность на территории России. — Наука в России, 2001, N° 6 (прим. ред.).
точно: 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-та-ки 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-
Уступ, возникший после Спитакского землетрясения 7 декабря 1988 г.
Едва различимые следы уступа, запечатленного на предыдущем рисунке (декабрь 1998 г.).
22 Проблемы. Поиск. Решения
Годы
Годы
10000 12000 Время, с
__I
14000 16000
1000
Гэафик последствий от землетрясений в мире. Точки — средние значения за десятилетия нанесенного материального ущерба и числа жертв.
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 помешали 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
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.
Прайиемы. Поди. Решения 23
«ое
ого вдута шта ти-
:ь в и в али чи-ре-ит-вы,
ус-т-юм
1НО
-ги->1та
Г1СЯ
аде 5д-
10-ча-ШХ 10-пь-из по зарезе -
55
35
15
§
<и К
Ж «
О н о о й Оц
-5
-25
-45
-65
6000
8000
10000
12000
14000
16000
В р е м я, с
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.
1997 М=7.7
д
■18
-28
"-40
50 — - -
157 158 159 160
161
163
164
56
55-
54
53
52
51
П.К
I
V
157 158 159 160 161 162 163 164
формирования очага. Порождающие их микротрещины концентрируются в центре будущего разрыва. Таким образом, предвестник одновременно указываег 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 при-
роде 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.
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.
Интересные и обнадеживающие результаты дало изучение материалов, связанных с крупными землетрясениями на Камчатке (2 марта I992 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 среднеквадрати-ческой 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 «кодек
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.