Портфолио

Землетрясения и их прогнозирование

1. Введение

Объект исследования – геофизические процессы, предшествующие и сопровождающие землетрясения.

Задача – рассмотреть причины сложного природного явления, а также способы его регистрации и перспективы прогнозирования с целью создания соответствующей аппаратуры.

Землетрясения – одно из проявлений геологической жизни Земли. Это «пульс» нашей планеты, а для людей – одна из страшных природных катастроф. Сейсмографы улавливают более 100 000 землетрясений в год. Из них около 100 можно отнести к разрушительным. Вот некоторые интересные исторические свидетельства [1]:

• 868 и 876 гг., Византия – землетрясения длительностью по 40 дней;
• 1000 г., 29 марта – сильное землетрясение на всём земном шаре;
• 1101 г., Киев, Владимир – «…едва церкви устояли, а вреда много учинилось. Кресты с церквей попадали»;
• 1109 г., 2 февраля, Новгород – «…стресеся земля»;
• 1117 г., 16 сентября, Киевская Русь – сильное землетрясение;
• 1188 г., 15 сентября, Русь – землетрясение «сотрясе землю»;
• 1446 г., Москва – «…тоя же осени октября 1 день, в 6 час нощи той, потрясеся град Москва. Кремль и посады поколебашися»; аналогично в 1471 г.;
• 1525 г., Венгрия – «…в землю провалились дома и церкви»;
• 1595 г., Нижний Новгород – «…во полуденное время прииде шум велик, яко земли поколебаша, и разседеся земля… И церковь, и келии, ограда и житницы и двор конюшенный все погибаша, един только столб остался алтарной»;
• 1751 г., Финляндия – серия землетрясений с октября по декабрь, некоторые сопровождались шумом;
• 1771 г., Кавказ – «землетрясение близ горы Бештау… провалилась часть горы Машук»;
• 1785 г., 12–13 февраля, Моздок – первое землетрясение сопровождалось подземным гулом, второе – волнением воды в Тереке (землетрясения ощущались до Кизляра);
• 1798 г., Пермь, Екатеринбург, Верхотурье – 8 мая был сильный ливень, через 2 дня – гроза, ливень и град, 11 мая температура опустилась ниже нуля, в ночь на 12 мая выпал снег. В тот же день послышался глухой шум землетрясения. При этом дул сильный ветер, шёл снег и было очень холодно;
• 1809 г., 26 февраля, Вятская губерния – в самой Вятке два таких удара, что «все дома затряслись и затрещали», но ущерба не было;
• 1814 г., Таганрог, Азовское море – «28 апреля около 2 часов пополудни при тихой погоде послышался вдруг в море гром и затем на расстоянии около 400 метров от берега показалось из воды пламя, окружённое облаками дыма и сопровождаемое неумолкающим гулом, похожим на пушечные выстрелы. Огромные массы земли и камней выбрасывались с силой до самого вечера, когда увидели небольшой островок, извергавший через множество отверстий горную смолу»;
• 1817 г., Таманский полуостров – «посреди озера… появился новый курган»;
• 1832 г., 17 марта, Тифлис – землетрясению предшествовал сильный порывистый ветер, продолжавшийся трое суток;
• 1841 г., Нижний Тагил – были слышны подземные толчки и гул, небо в течение ночи озарялось разноцветным пламенем;
• 1851 г. 28 июля, Кутаисская губерния – вслед за землетрясением разразилась сильная гроза с дождём, шедшим почти всю ночь;
• 1856 г., 1 февраля, Гори – землетрясение, а ночью была буря;
• 1873 г., 9 февраля, Кола – в 4 часа раздался подземный удар и произошло землетрясение. «Дома шатались и утварь падала». Погода стояла тихая. Вдруг внезапно «сделалось темно», потом на восточной стороне неба появился огромный тёмно-багровый шар, который затем скрылся на западе. В этот момент раздался удар.
• 1883 г. – выдающаяся эпоха по сейсмическим и вулканическим явлениям на нашей планете (353 землетрясения).

2. Возникновение условий для землетрясений

Земная кора – самая верхняя часть литосферы. Теория литосферных плит и дрейфа материков создана в начале ХХ в. немецким учёным А. Вегенером. Согласно теории, кора вместе с частью верхней мантии разбита сложной сетью глубоких трещин, делящих литосферу на 7 больших плит и десятки плит поменьше. Плиты лежат на сравнительно мягком и пластичном слое мантии, скользя по которому друг относительно друга, соседние плиты могут сближаться и расходиться.

Подавляющая часть землетрясений (более 85%) происходит в условиях обстановки сжатия, и только 15% – в обстановке растяжения. Поддвигание мобильной Малоазиатской микроплиты под более стабильную Скифскую со скоростью примерно 3,5 см/год приводит к вздыманию по сей день горных систем Кавказа. Землетрясение – это мгновенное высвобождение энергии за счёт образования разрыва гор­ных пород, возникающего в некотором объёме, называемом очагом землетрясения. Могут происходить и менее масштабные процессы, в результате которых наблюдается так называемый горный удар, обусловленный наличием горных выработок.

3. Динамика грунтов. Опасность резонанса для сооружений

Сейсмический толчок вызывает низкочастотные колебания сооружений. Поскольку они обладают большой массой, то при колебаниях возникают значительные силы инерции. В общем случае сооружение как свободное тело имеет шесть степеней свободы. На его колебания влияют грунты, на которых оно стоит. Важнейшей задачей при расчёте колебательной системы сооружение–основание является прогноз резонансных частот и пиковых амплитуд смещения. Особенно опасно резонансное усиление маятниковых колебаний, когда центр тяжести сооружения значительно удалён от точки его опоры, что характерно для мостовых опор, труб и высотных зданий.

Сейсмический эффект определяется тремя параметрами: уровнем амплитуд, преобладающим периодом и продолжительностью колебаний. При Калифорнийском землетрясении 27 июня 1966 г. максимальные ускорения на поверхности достигали 0,5g, но из-за краткости воздействия не было существенных повреждений зданий. А длящееся сравнительно долго малоамплитудное воздействие может привести к серьёзным разрушениям. Задача усложняется плохо прогнозируемыми эффектами резонансного усиления сейсмических колебаний рыхлыми приповерхностными грунтами. В Мехико, расположенном в 300 км от эпицентра землетрясения 1985 г., в отдельных частях города резонансное усиление колебаний с периодом около 2 с достигало 75 раз. Это привело к разрушению 15–25-этажных зданий с близкими резонансными периодами. Погибли 10 000 человек [2].

Чаще всего очаги зем­летрясений сосредоточены в земной коре на глубине 10–30 км. Как правило, главному подземному сейсмическому удару предшествуют локальные толчки – форшоки. Сейсмические толчки, возни­кающие после главного удара, называются афтершоками.

4. Прогнозирование землетрясений

Предвестников землетрясений достаточно много [3]. Рассмотрим наиболее значимые.

Сейсмические. Обычно скорость накопления напряжений не превышает 10 Н/см² в год и чем больше магнитуда землетрясения и выделяемая энергия, тем длиннее интервал между сильными землетрясениями. Д.И. Мушкетов высказал идею о том, что для областей альпийской складчатости (например, для Кавказа) характерна бóльшая частота, но меньшая сила землетрясений, чем для молодых горных областей, возникших на месте платформ (например, для Тянь-Шаня) [4].

Геофизические. Точные измерения деформаций и наклонов земной поверхности с помощью деформаторов указывают, что перед землетрясением скорость деформаций резко возрастает. В Японии в среднем на расстоянии 25 км друг от друга стоят датчики движения земной коры. Это колонны из нержавеющей стали высотой 4,5 м с приёмником спутниковой системы определения координат на вершине. Каждые 30 с приёмник определяет координаты местонахождения датчика с погрешностью около 2 мм [5]. Применяются также лазерные дальномеры, следящие за подвижками земной коры. Радиолокационные спутники InSAR, работая в паре, получают карты подвижек земной поверхности на больших площадях [6]. Аналогичная аппаратура поставлена на МКС 16.07.2008 г.

Любое изменение напряжённо-деформи­рован­но­го состояния земной коры сказывается на электрическом сопротивлении горных пород, а также на изменениях магнитного поля, обусловленного магнитными минералами. Отсюда следует существование электромагнитных предвестников. В конце 1960-х гг. ХХ в. ректор Томского политехнического института А. Воробьёв высказал идею о том, что под Землёй должны быть электромагнитные поля, связанные с процессами в недрах Земли. Например, в местах соприкосновения блоков возникает сила трения, приводящая к электризации. Если соседние блоки «склеиваются», то трение прекращается и электромагнитные поля исчезают, зато накапливаются механические напряжения, снимаемые землетрясением. Статистика свидетельствует, что обычно комплекс блоков разрушается через 8–10 дней. Эффект «затишья» – сигнал о землетрясении. Но для повышения точности прогноза нужны сведения от сети наблюдательных станций данного района [5]. В процессе экспериментов учёные выяснили два механизма электризации, важных при деформации земной коры:

– при контакте двух диэлектриков или полупроводников происходит диффузия носителей заряда и возникает контактная разность потенциалов. А в присутствии жидкости образуются двойные электрические слои на поверхности раздела твёрдое тело–жидкость. При разрыве этих контактов возникают различные электрические эффекты;

– внутри ионных диэлектриков (таково вещество земной коры) при разрушении происходит перемещение зарядов (движение заряженных дислокаций и трещин) под действием механических сил, что равносильно локальным токам. Это называется механоэлектрическими процессами (МЭП).

Наблюдения ведутся за изменениями атмосферного электрического потенциала, электротеллурического (Земля и ионосфера – обкладки сферического конденсатора) и геомагнитного полей, естественного импульсного электромагнитного поля. Было установлено, что после окончания возмущения естественных электромагнитных полей и параметров ионосферы (или на завершающей стадии) могут происходить сейсмические события. Но полной корреляции нет, т. к. причины могут быть другие. Например, параметры ионосферы сильно зависят от космического воздействия и геомагнитной обстановки. На электрический потенциал влияет метеобстановка. При прогнозировании необходимо учитывать расположение источников возмущений в пространстве.

МЭП идут при деформации и разрушении земной коры в следующих областях: очаг землетрясения; граница блоков и разломов; поверхностный слой земной коры, испытывающий деформации на стадии подготовки землетрясения. (Подповерхностные слои из-за высокой электрической проводимости не вызывают искажения естественных электромагнитных полей.) Таким образом, МЭП становятся источниками излучения в радиодиапазоне. Они влияют на электротеллурическое и геомагнитное поля, а также на атмосферный электрический потенциал. Но наиболее эффективным будет крупномасштабный источник тока (размером в десятки километров), получаемый вдоль границ блоков, где будут синхронно идти множество МЭП. Такой пульсирующий источник работает на частоте 10–1000 Гц и способен проникнуть высоко в ионосферу [4].

Есть гипотеза греческих учёных (группа П. Варотсоса) о пьезокристаллическом эффекте в некоторых горных породах, возникающем перед землетрясением.

Ионосферные. Впервые инструментальные наблюдения электромагнитных явлений, связанных с подготовкой землетрясения, выполнил в 1924 г. Б.А. Чернявский. Он описал возмущение атмосферного электричества перед Джелал-Абадским землетрясением в Узбекистане. Перед землетрясениями магнитудой более 5 за несколько часов до толчка иногда регистрировались изменения напряжённости вертикального электростатического поля на поверхности Земли в эпицентральной области от нескольких десятков до 1000 В/м. Возле земной поверхности поле вертикально, а на ионосферных высотах разворачивается параллельно земле. Образуется зона радиусом от десятков до сотен километров (рис. 1). В ионо­сфере на высоте 100–120 км перед землетрясением может наблюдаться свечение атмосферного газа. Таким образом, очаг землетрясения индукционно воздействует на нижнюю часть ионосферы. В результате исследований установлено, что перед сильным землетрясением ширина волновода земля–ионосфера изменяется: его верхняя стенка (ионо­сфера) опускается (рис. 2). Первоначальные сведения о том, что электромагнитное поле в волноводе или усиливается, или ослабевает, были получены при регистрации разрядов молний, имеющих закономерный суточный ход. То есть образуется область с повышенной или пониженной концентрацией заряженных частиц за несколько часов до землетрясения. Контроль нижней части ионосферы, являющейся стенкой волновода, осуществлялся наклонным зондированием волнами частотой 10–15 кГц. Возмущённая область ионосферы нарушала нормальное распространение радиоволн. Так, искажение фазы радиосигнала было зафиксировано перед землетрясением в Узбекистане 10.09.1984 г.

Г.Т. Несторов в Болгарии 4.03.1977 г. за 1,5 ч перед землетрясением в Румынии (М = 7,2) обнаружил фединги – быстрые флуктуации и даже замирание радиосигнала (рис. 3). Расчёты краткосрочной сейсмической опасности по учёту изменяемости параметров волновода земля–ионосфера показали, что в одном случае из пяти прогноз был ложным, пропусков сильных землетрясений не было. В целом всегда появлялись сообщения о шуме в телефонных аппаратах, как при грозе, о запахе озона во время землетрясения и случаях воздействия электричества на людей и животных.

Выводы. • Перед землетрясением появляются механические и электрические напряжения в земной коре [8] • Область дополнительной ионизации может создать вторичное широкополосное радиоизлучение и световые эффекты, а также исказить распространение радиоволн в сверхдлинноволновом и длинноволновом диапазонах. • Пульсирующий на земле источник может вызвать резонанс колебательного контура Земля–ионосфера (ν_рез ~ 10² Гц). Это вызовет всплеск переменного электрического тока в ионосфере, её дополнительный нагрев и ионизацию. В результате могут появиться новые источники радиоволн • Более надёжный признак сильного землетрясения – не возмущение в нижней ионосфере, а увеличение частоты этих возмущений • Область ионосферных возмущений может смещаться на 500–1000 км, т. е. среда «выбирает» самое слабое место для сильного землетрясения • Для повышения достоверности прогноза надо учитывать энергонасыщенность горной среды (потенциальную энергию, обусловленную упругими деформациями). Кроме того, какие-то свои эффекты могут быть на более высоких уровнях той же ионосферы [5, 7].

В результате учёными предложены модели, связывающие развитие аномалий в ионосфере с выбросами радона, изменением напряжённости электрического поля в атмосфере, возмущением ионосферы низкочастотными упругими колебаниями, возникающими при подготовке землетрясения. Правда, перечисленные изменения слишком малы и не заметны на фоне «шума». К сожалению, они выявляются только статистически, т. к. представляют собой изменения среднестатистических характеристик ионосферы за определённые промежутки времени при подготовке землетрясения или во время него [6].

Чувствительность животных (электромагнитные предвестники, инфразвуки). Наибольшей чувствительностью у живых организмов обладает нервная система. Для движения крови существенное значение имеют её электромагнитные свойства. В организме непрерывно упорядоченно движутся заряды (электроны, ионы), определяющие процессы жизнедеятельности клеток. Кроме того, существуют органы, специально воспринимающие геомагнитную карту местности, что необходимо для ориентации. Всё это в комплексе даёт возможность почувствовать изменения электромагнитных и геомагнитных полей в окружающей среде.

Учёные установили, что в основе механизма ориентирования птиц и некоторых животных лежит тонкий баланс сложных химических реакций, течение которых изменяется под воздействием магнитного поля, хотя оно и очень слабое, около 50 мкТл [9]. В целом остаётся неясным, что именно влияет на животных, т. к. опасность предчувствуют и животные на суше (собаки, лошади, слоны и др.), и рыбы (в море и в аквариумах – японские карликовые сомики и пр.). Сомики являются надёжными индикаторами цунами, возникающих в результате подводных землетрясений. У этих рыб (а также у карповых рыб, баренцевоморских скатов, форели, длиннопалых раков) выявлен максимум электрочувствительности в диапазоне 7–8 Гц. (У человека есть альфа-ритм головного мозга, но способность предчувствовать мы, видимо, потеряли.)

Гидродинамические. Сжатие пород повышает уровень подземных вод и, следовательно, уровень воды в скважинах и колодцах. Может меняться период гейзеров.

Геохимические. Изменяется уровень радона. За 15–20 ч до горного удара (в шахтах) в зоне сжатия уровень содержания этого газа уменьшается. Зато он в 8–9 раз повышается в дальней зоне, где происходит растяжение. Горный удар происходит после прохождения максимума концентрации радона. Как правило, изучаются концентрации радона, растворённого в подземных водах изливающихся скважин. Изменения чувствуются за 3–4 месяца до сейсмического события и особенно чётко проявляются за 1–2 недели [10].

Проницаемость горного массива, наличие в нём связанных пор и трещин заметно зависит от его напряжённо-деформированного состояния. Динамические изменения концентрации радона в приповерхностном слое почвы отражают это состояние.

Радон радиоактивен и является продуктом альфа-распада радия. Эти химические элементы входят в радиоактивное семейство урана-238. Радон – оптимальный индикатор при различных геологических исследованиях. Его концентрация в горном массиве обычно постоянна, т. к., хотя часть атомов попадает в воздух, а часть распадается с периодом полураспада 3,825 сут., эта убыль постоянно компенсируется новым поступлением, которое зависит от концентрации урана и соответственно радия в данном горном массиве. Газовые струи, включающие радон, могут выходить с глубин до 200 м. Проблем с регистрацией радона не возникает ввиду его радиоактивности – он надёжно регистрируется даже в малых дозах (30–50 распадов в 1 м³ за 1 с, т. е. 30–50 Бк/м³, что соответствует концентрации 10^-16% в газовой смеси). Для реализации прогноза требуется создание системы мониторинга по всей сейсмогенной площади. При этом расстояние между станциями не должно быть более 25 км, а накопление данных должно осуществляться за время не более 24 ч. Кроме того, испускаемые радиоактивным радоном заряженные частицы ионизируют молекулы воздуха, порождая центры конденсации, и способствуют образованию тумана.

Иногда зоны активных геологических разломов проявляют себя по линейным скоплениям облаков при наблюдениях с самолёта или из космоса. Однако пока прогноз по картам облачности успеха не принёс [6].

Диффузия лёгких газов из недр Земли и состояние образующихся при этом структур позволяют прогнозировать возможность сильного землетрясения с точностью до одних суток, но по обширной территории [5].

Влияние взаимного расположения Луны и Солнца, т. к. приливы и отливы происходят и в земной коре.

 

Заключение

В спорах о принципиальной возможности предсказания землетрясений пока ни одна модель не получила аргументированной и однозначной победы. Сценарии нарастающих в глубине Земли катастроф зависят от столь большого числа факторов, что полный анализ всегда затруднён. Поэтому хуже всего дело обстоит с кратко­срочными (дни, часы) прогнозами, а достоверность долгосрочных (десятки лет) и среднесрочных (годы, месяцы) прогнозов составляет 0,7–0,8, несмотря на комплексный мониторинг (не только регистрация колебаний земной поверхности, но и измерения уровня, температуры и химического состава воды в скважинах, скорости движения земной поверхности, аномалий гравитационного и геомагнитного полей, мониторинг атмо­сферных, ионо­сферных и геоэлектрических явлений), пока не удалось получить эффективный и экономически оправданный прогноз землетрясений, при котором предотвращённые потери превосходили бы ущерб от ложных тревог.

Важную роль играет также изостатическая тектоника, когда при разрушении гор (солнце, ветер и вода) размягчённое вещество астеносферы «засасывается» для восстановления равновесия. Увлекаемые потоками этого вещества плавающие литосферные плиты, подходя к горам с разных сторон, создают горизонтальные сжатия. Пример изостатики – поднятие хребтов Кавказа и прогибание Индоло-Кубанской зоны.

В земной коре существуют направления (каналы) распространения сейсмических волн. Кроме того, могут быть искусственные землетрясения, спровоцированные крупномасштабными земляными работами и далёкими землетрясениями, а также взрывами. Чтобы отделить несейсмические влияния, вычленить влияние источников возмущений (в поверхностных слоях земной коры, в атмосфере, в ионосфере), необходимы комплексные сейсмологические, деформационные и электромагнитные исследования. При этом можно делать большую ставку на электромагнитные предвестники землетрясений, т. к. они несут важную информацию о развитии процесса – переходе среды из устойчивого состояния в неустойчивое, за которым следует землетрясение.

Новые спутниковые технологии позволяют отслеживать деформации земной поверхности, изменения температуры почв при выбросах глубинных флюидов, изменения свойств ионосферы, связанные с подготовкой и реализацией сильных землетрясений.

Прорывом в исследовании землетрясений можно считать бурение в течение 2004–2006 гг. глубинной скважины в разломе Сан-Андреас (США) и установкой в ней обсерватории, рассчитанной на 20 лет работы. Она будет измерять сейсмическую активность, давление грунтовых вод, температуру и деформации непосредственно в зоне очагов микроземлетрясений разлома [6]. Сама же физическая теория сейсмического процесса всё ещё в процессе становления. Сейчас происходит переход к вероятностной модели прогноза.

Изучение разнообразных предвестников привело к следующим выводам:

– время появления предвестника зависит от магнитуды (энергии) будущего землетрясения и с её увеличением тоже увеличивается;

– радиус области проявления предвестников также увеличивается с увеличением магнитуды;

– амплитуда предвестников плавно затухает по мере удаления от эпицентра будущего землетрясения.

При прогнозе землетрясения выделяют три параметра: координаты эпицентра, время и магнитуду (знергию). Соответственно должны быть показаны погрешности этих величин. Эффективность предвестников различна. В частности, геохимические (концентрация газов в подземных водах) и гидродинамические (температура и уровень подземных вод) рассматриваются как крайне неустойчивые, потому что они не всегда соответствуют указанным выше особенностям предвестников. Поэтому поиски новых предвестников не прекращаются.

 

 

Литература

1. Борисенков Е.П., Пасецкий В.М. Тысячелетняя летопись необычных явлений природы. М.: Мысль, 1988.
2. Вознесенский Е.А. Землетрясения и динамика грунтов // Соросовский образовательный журнал. 1998. № 2. С. 101.
3. Короновский Н.В., Абрамов В.А. Землетрясения: причины, последствия, прогноз // Cоросовский образовательный журнал. 1998. № 12.
4. Гохберг М.Б., Гуфельд И.Л. Электромагнитные предвестники землетрясений // Земля и Вселенная. 1987. № 1. С. 16.
5. Физика и техника. Новости: исследование физической природы землетрясений // Физика в школе. 2003. № 3. С. 7.
6. Родкин М. Прогноз непредсказуемых катастроф //Вокруг света. 2008. № 6. С. 89.
7. Хегай В.В. Возможные ионосферные предвестники землетрясений // Земля и Вселенная. 1990. № 4. С. 17.
8. Степанюк И. А. Предчувствие геофизических катастроф // Физика. 2008. № 9. С. 42–44.
9. Птичий компас // Популярная механика. 2008. № 7. С. 22.
10. Уткин В.И. Радон и проблема тектонических землетрясений // Соросовский образовательный журнал. 2000. № 12. С. 69–70.

Фото предоставлены автором

 

Давид Тучашвили занимается исследовательской деятельностью с 7-го класса. Постоянный призёр республиканских конкурсов «Шаг в будущее», «Ступень в науку». Дипломант всероссийских конкурсов «Национальное достояние России» в 2008 и 2009 гг. На Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи (ВВЦ, г. Москва) в 2009 г. получил медаль «За успехи в научно-техническом творчестве». Его работа упомянута в обзоре журнала «Радио» № 8/2009. На международном конкурсе «Колмогоровские чтения» в 2009 г. занял III место. Вошёл в число кандидатов на присвоение Премии в рамках национального проекта. Имеет публикации (наука, литература). Рисует – занимается графикой. Любит географию. Участник Форума победителей «Прорыв» (Москва, 2009 г.).

На фото: Давид у своего стенда «Землетрясения» во Всесоюзном выставочном центре (Москва, НТТМ, июнь 2009 г.). Он представил модель своего прибора, способного регистрировать колебания и фиксировать проявления электромагнитных предвестников землетрясений. Для повышения достоверности прогноза он исследует возможность комплексной обработки сигналов от датчиков вибраций, магнитного поля и др.

---

Давид Тучашвили сейчас учится в 11-м классе, но начал работать над этой темой вместе с Валерием Дряевым в 7-м (Радченко Т.И. Ученические проекты // Физика-ПС. 2007. №  4.). Публикуем фрагмент этой совместной работы. – Ред.