Сейсмология: как предсказывают землетрясения
Обсудить 0
Люди сталкивались с буйством земной тверди примерно с тех времен, когда спустились на эту твердь с деревьев. Видимо, к началу человеческой эпохи относятся и первые попытки объяснить природу землетрясений, в которых обильно фигурируют подземные боги, демоны и прочие псевдонимы тектонических движений. По мере того как наши предки обзаводились постоянным жильем с прилагаемыми к нему крепостями и курятниками, урон от сотрясений почвы под ними становился больше, а желание задобрить Вулкана или хотя бы предсказать его немилость — сильнее.
Впрочем, разные страны в древности сотрясались разными сущностями. Японская версия отводит ведущую роль живущим под землей гигантским сомам, которые иногда шевелятся. В марте 2011 года очередное рыбье буйство привело к сильнейшему землетрясению и цунами.
Схема распространения цунами в акватории Тихого океана. На картине цветом показана высота расходящихся в разные стороны волн, порожденных землетрясением вблизи Японии. Напомним, что подземный толчок 11 марта обрушил на побережье Японии волну цунами, приведшую к гибели не менее 20 тысяч человек, обширным разрушениям и превращению слова «Фукусима» в синоним Чернобыля. Реагирование на цунами требует большой оперативности. Скорость океанских волн измеряется километрами в час, а сейсмических — километрами в секунду. За счет этого возникает запас времени в 10−15 минут, за которые нужно оповестить жителей угрожаемой территории.
Неустойчивая твердь
Земная кора находится в очень медленном, но непрерывном движении. Громадные блоки напирают друг на друга и деформируются. Когда напряжения превышают предел прочности, деформация становится неупругой — земная твердь ломается, а пласты смещаются вдоль разлома с упругой отдачей. Впервые эту теорию предложил почти сто лет назад американский геофизик Гарри Рейд, изучавший землетрясение 1906 года, почти полностью разрушившее Сан-Франциско. С тех пор учеными было предложено множество теорий, по‑разному детализирующих ход событий, но первооснова осталась в общих чертах той же.
Глубина моря изменчива. Приходу цунами часто предшествует отступление воды от берега. Упругие деформации земной коры, предшествующие землетрясению, оставляют воду на месте, но глубина дна относительно уровня моря при этом часто меняется. Мониторинг морской глубины осуществляется сетью специальных приборов — мареографов, установленных как на берегу, так и на удалении от берега.
Многообразие версий, увы, не увеличивает объем знаний. Известно, что очаг (по-научному — гипоцентр) землетрясения представляет собой протяженную область, в которой и происходит разрушение горных пород с выделением энергии. Ее объемы прямо связаны с размерами гипоцентра — чем он больше, тем сотрясения сильнее. Очаги разрушительных землетрясений простираются на десятки и сотни километров. Так, очаг Камчатского землетрясения 1952 года имел длину около 500 км, а Суматранского, вызвавшего в декабре 2004 года самое страшное в современной истории цунами, — не менее 1300 км.
Размеры гипоцентра зависят не только от накопленных в нем напряжений, но и от физической прочности горных пород. Каждый отдельный пласт, оказавшийся в зоне разрушения, может как треснуть, увеличивая масштаб события, так и устоять. Конечный результат в итоге оказывается зависимым от множества невидимых с поверхности факторов.
Тектоника в картинках. Столкновение литосферных плин приводит к их деформации и накоплению напряжений.
Сейсмический климат
Сейсмическое районирование территории позволяет предсказать силу возможных в данном месте подземных толчков, пусть даже и без указания точных места и времени. Полученную карту можно сравнить с климатической, вот только вместо атмосферного климата на ней отображен сейсмический — оценка возможной в данном месте силы землетрясения.
Исходной информацией служат данные о сейсмической активности в прошлом. К сожалению, история инструментальных наблюдений за сейсмическими процессами насчитывает немногим более ста лет, а во многих регионах — того меньше. Некоторую помощь может оказать сбор данных из исторических источников: описаний даже античных авторов обычно достаточно, чтобы определить балльность землетрясения, поскольку соответствующие шкалы построены на основе бытовых последствий — разрушения зданий, реакции людей и т. п. Но и этого, конечно, недостаточно — человечество еще слишком молодо. Если в каком-то регионе за последние пару тысяч лет не было десятибалльного землетрясения, это еще не значит, что оно не произойдет там в следующем году. Пока речь идет о рядовом малоэтажном строительстве, с риском такого уровня можно мириться, но размещение АЭС, нефтепроводов и прочих потенциально опасных объектов требует явно большей точности.
Проблема оказывается решаемой, если от отдельных землетрясений перейти к рассмотрению потока сейсмических событий, характеризующегося определенными закономерностями, в том числе плотностью и повторяемостью. В этом случае можно установить зависимость периодичности землетрясений от их силы. Чем слабее землетрясения, тем больше их количество. Эта зависимость поддается анализу математическими методами, и, установив ее для какого-то промежутка времени, пусть небольшого, но обеспеченного инструментальными наблюдениями, можно с достаточной надежностью экстраполировать ход событий через сотни и даже тысячи лет. Вероятностный подход позволяет накладывать приемлемые по точности ограничения на масштабы будущих катастроф.
Карта сейсмического районирования ОСР-97D. Цветами показана максимальная разрушительная сила землетрясений с периодом повторения порядка 10000 лет. Эта карта используется при строительстве АЭС и прочих особо ответственных объектов. Одним из проявлений земной активности являются вулканы. Их извержения красочны и порой разрушительны, но вот порождаемые ими сейсмические толчки, как правило, слабы и самостоятельной угрозы не представляют.
В качестве примера того, как это делается, можно привести действующий сейчас в России комплект карт сейсмического районирования ОСР-97. При его составлении были по геологическим данным выявлены разломы — потенциальные источники землетрясений. Их сейсмическая активность была смоделирована с применением весьма непростой математики. Виртуальные потоки сейсмических событий были затем сверены с реальностью. Получившиеся зависимости можно было относительно уверенно экстраполировать в будущее. Итогом стала серия карт, показывающих максимальный балл событий, могущих повторяться на данной территории с периодичностью от 100 до 10000 лет.
Предвестники беды
Сейсмическое районирование дает возможность понять, где «подложить соломку». Но, чтобы свести урон к минимуму, хорошо бы знать время и место события точно — кроме оценки «климата» иметь и прогноз «погоды».
Самый впечатляющий краткосрочный прогноз землетрясения был сделан в 1975 году в китайском городе Хайчен. Ученые, наблюдавшие за сейсмической активностью несколько лет, объявили тревогу 4 февраля около 14 часов. Жители были выведены на улицы, а магазины и промышленные предприятия закрыты. Землетрясение с магнитудой 7,3 произошло в 19:36, город подвергся значительным разрушениям, но человеческих жертв было мало. Увы, этот пример пока остается одним из очень немногих.
Накапливающиеся в земной толще напряжения приводят к изменениям ее свойств, и их в большинстве случаев вполне можно «поймать» приборами. Таких изменений — сейсмологи называют их предвестниками — на сегодня известно несколько сотен, и их перечень год за годом растет. Нарастающие напряжения земли изменяют скорость упругих волн в них, электропроводность, уровень подземных вод и т. д.
Одно из типичных последствий разрушительного землетрясения. Специалисты оценили бы интенсивность встряски примерно в 10 баллов (по 12-балльной шкале).
Проблема заключается в том, что предвестники капризны. Они ведут себя по‑разному в разных регионах, представая перед исследователями в разных, подчас причудливых сочетаниях. Чтобы уверенно сложить «мозаику», надо знать правила ее составления, но полной информации у нас нет и не факт, что когда-то будет.
Исследования 1950 -1970-х показали корреляцию содержания радона в подземных водах в районе Ташкента с сейсмической активностью. Содержание радона перед землетрясениями в радиусе до 100 км изменялось за 7−9 дней до толчка, вначале увеличиваясь до максимума (за пять дней), а затем снижаясь. Но аналогичные исследования в Киргизии и на Тянь-Шане устойчивой корреляции не показали.
Упругие деформации земной коры приводят к относительно быстрому (месяцы и годы) изменению высоты местности. Эти изменения уже давно и надежно «ловятся». В начале 1970-х американские специалисты выявили поднятие поверхности возле городка Палмдейл в Калифорнии, стоящего прямо на разломе Сан-Андреас, которому штат обязан репутацией сейсмически беспокойного места. На попытки отследить развитие событий и вовремя предупредить были брошены немалые силы, деньги и оборудование. К середине 1970-х подъем поверхности вырос до 35 см. Было отмечено также уменьшение скорости упругих волн в земной толще. Наблюдения за предвестниками продолжались много лет, стоили немалых долларов, но… катастрофы не произошло, состояние местности постепенно вернулось к норме.
В последние годы наметились новые подходы к прогнозированию, связанные с рассмотрением сейсмической активности на глобальном уровне. В частности, о прогностических успехах сообщали камчатские сейсмологи, традиционно находящиеся на «переднем крае» науки. Но отношение к прогностике ученого мира в целом все же будет правильнее охарактеризовать как осторожный скептицизм.
