Современное состояние проблемы прогноза землетрясений

Одна из крупнейших природных катастроф произошла в Средние века. 23 января 1556 года на территории Китая произошло землетрясение, погубившее 830000 человек. По современным оценкам сейсмологов его магнитуда равнялась 8.OR. Наибольшие бедствия выпали на долю густонаселенной провинции Шенси, где жилища местных крестьян представляли собой пещеры, вырытые в склонах лессовых холмов.Главный толчок случился ночью, и люди оказались заживо погребенными в своих домах под сдвинувшимися толщами лесса. Воздействие землетрясения проявилось в 212 районах Китая.

Землетрясение в Лиссабоне

1 ноября 1755 года грандиозное землетрясение разрушила большую часть Лиссабона. В то время это был город с населением около 275000 человек, расположенный в центре Португальской империи. Главный толчок сотрясал землю несколько минут, затем последовала короткая пауза, и после нее произошло еще два толчка. Но и на этом выход огромной энергии земли не закончился. В течение месяца произошло еще 500 афтершоков незначительной силы. По мнению некоторых сейсмологов, это было самое сильное историческое землетрясение, достигшее 9.0 баллов и унесшее до 60 тысяч жизней.

Землетрясение в Калабрии

В течение февраля и марта 1783 года полуостров Калабрия в Италии сотрясался несколько раз от сильных землетрясений. В общем счете было зарегистрировано шесть основных толчков, вследствие которых, согласно современным исследованиям, разрушению подверглись около 200 городов и селений. Погибло около 50000 человек. Позже правительство создало специальную комиссию по изучению последствий этих землетрясений и выяснению причин гибели стольких людей. Подробнейший отчет этой комиссии явился важным документом сейсмологических исследований.

Землетрясение 1934 года.

15 января 1934 года произошло одно из самых смертельных землетрясений в истории Индии. Согласно официальным данным 10 653 человека погибли в результате землетрясения, которое затронуло большинство частей восточной Индии. Толчки и повреждения были даже в Непале.

Индийский город Кангра...

Кангра, Индия, 4 апреля 1905 года. В 6 часов на спящий город Кангру обрушилось жесточайшее землетрясение силой 8,7 балла по шкале Рихтера. Город был почти полностью превращен в руины. 19 000 его жителей погибли, большинство встретили смерть в постелях. Когда началось землетрясение, в древнем святом храме Бхоавн находилось 2000 возносящих молитвы пилигримов. Все они, включая гуру, погибли, когда стены храма дрогнули и обвалились. Так храм Бхоавн стал для пилигримов братской могилой. В сельской местности размеры причиненного стихией ущерба были тоже огромны. Сильно пострадали соседние города: Дармсала, Наггар, Сукет, Сультенпур и Манди. Оползни, запрудившие реки, вызвали многочисленные наводнения, затопившие фермы. Плантации чая, - такие пышные и яркие накануне, стали грудами битого шифера, соломенных клочьев и перемешанного с грязью чая.

Землетрясение в Сан-Франциско.

Сан-Франциско, штат Калифорния, США, 18 апреля 1906 года, зарегистрировано 8.3 балла. Почти 7000 человек погибли, большая часть Сан-Франциско превратилась в развалины во время величайшего землетрясения и вызванного им пожара.

Италия скорбит о погибших...

Мессина, Италия, 28 декабря 1908 года. По разным источникам, во время катастрофического землетрясения, превратившего в руины город Мессину и 25 населенных пунктов по соседству, погибли от 160 000 до 250 000 человек.

Землетрясение в Новой Зеландии в 1931 году

Утро 3 октября 1931 года было жарким, лето было сухое и длинное. Первые толчки были зафиксированы где-то в 10:47. Второй удар стихии был следом, и он принес наибольшие разрушения. В течение нескольких минут после землетрясения множество пожаров охватили город. Сгорел почти весь город. Уцелели несколько зданий находившихся в центре. Многочисленные человеческие жертвы.

31 мая 1935 года произошло одно из самых сильных землетрясений на территории Пакистана. Землетрясение ударило рано утром по городу Кветты. Город служил военной базой и сотни солдат, размещенные там были убиты. 35000 человек было похоронено после этого чудовищного землетрясения..

Самое сильное из зарегистрированных землетрясений

Штат Ассам, Индия, 15 августа 1950 года. Здесь произошло самое сильное из когда-либо зарегистрированных землетрясений. Оно унесло 1000 жизней. Даже сейсмографы оказались не в силах его измерить, потому что стрелки зашкаливали. Позже подземному толчку стали приписывать силу 9 баллов по шкале Рихтера. Мощь землетрясения была столь колоссальной, что вызвала путаницу в вычислениях сейсмологов. Американские сейсмологи решили, что оно произошло в Японии, а японские - что в Америке. В зоне Ассама ситуация была не менее запутанной. Катастрофические толчки на протяжении 5 дней сотрясали землю, разверзая провалы и снова смыкая их, посылая в небо фонтаны горячего пара и перегретой жидкости, проглатывая целые деревни. Были повреждены плотины, затоплены города и поселки. Местные жители спасались от стихии на деревьях. По сообщениям газет, одна из женщин умудрилась прямо на дереве родить ребенка.

Землетрясение в Лос-Анджелесе

Лос-Анджелес, штат Калифорния, США, февраль 1971 год. Утром, в начале седьмого, подземный толчок силой 6,6 балла потряс город и его окрестности. Казалось, что в большинстве зданий города это вызвало лишь незначительные неудобства и прервало сон жителей. Но 59 погибших, несколько сотен раненых говорят о том, что не существует такого понятия, как "легкая катастрофа".

Землетрясение в Чили в 1960 году.

Чили, 21-30 мая 1960 года. Серия землетрясений унесла жизни 5700 человек и оставила без крова еще 100 000, разрушив при этом 20 процентов промышленного комплекса страны. Размер нанесенного ущерба оценивался в 400 миллионов долларов. За 7 дней ужасного испытания почти вся сельская местность страны превратилась в руины

Землетрясение в Перу

Землетрясение 1970 года в Перу было наиболее сильным для всего Западного полушария. Его эпицентр находился в Перуанско-Чилийском глубоководном желобе в 25 км к востоку от Чимботе, портового города с населением 120000 человек. 31 мая произошел толчок силой 7.7R, вследствие которого пострадали Чимботе и другие прибрежные и удаленные от моря города, включая Касму, Хуармей и Хуарас. Площадь территории, пораженной землетрясением, составила около 100000 кв. км. Общее число жертв землетрясения и его последствий достигло 66000 человек. Более 50000 были ранены и около миллиона лишились крова.

Гватемалу опять трясет.

Гватемала, 4 февраля 1976 года. Во время обрушившегося на Гватемалу сильнейшего землетрясения погибло 22 000 человек, 70 000 человек получили ранения и свыше миллиона жителей страны остались без крова.

Сильное землерясение в Румынии.

Бухарест, Румыния, 4 марта 1977 года, зарегистрировано 7,2 балла. В результате самого страшного в истории Румынии землетрясения, эпицентр которого пришелся на Бухарест, погибло 15 000 человек, 10 500 человек получили ранения и десятки тысяч остались без крыши над головой.

Чудовищное землетрясение в Мехико.

Мехико, Мексика, 18 - 19 сентября 1985 года. 18 - 19 сентября город Мехико подвергся двум следовавшим одно за другим землетрясениям. Сила первого определялась в 8,1 балла по шкале Рихтера, второго - в 7,5 балла. При этом погибли 5526 человек, 40 000 человек получили ранения и 31 000 человек остались без крова.

Разразилось чудовищное землетрясение.

Аль-Аснам, Алжир, 10 октября 1980 года. В 12 часов 30 минут в алжирском городе Аль-Аснам разразилось чудовищное землетрясение силой 7,5 балла. Вслед за первым толчком пришел второй силой 6,5 балла. Сообщалось о 17 000 - 25 000 погибших. Но по окончательным данным, погибло 6000 человек и 250 000 остались без крова.

В Армении плакали даже камни.

7 декабря 1988 года тяжелое стихийное бедствие случилось в юго-западной части бывшего СССР. В этот день произошло одно из самых сильных землетрясений в этой стране. Воздействие подземных толчков проявилось на территории республики Армения, которая находится на границе двух тектонических плит - Анатолийской, смещающейся на юг, и Евразийской, смещающейся на север.Магнитуда землетрясения была зафиксирована на 6.9R, что по меркам сейсмологов не является показателем сильного землетрясения. Однако по своим последствиям, это событие, безусловно, стало тяжелой человеческой трагедией, так как унесло 50000 жизней, оставило десятки тысяч раненых, причинило большой материальный ущерб. Второй крупный город Армении с населением около 250000 жителей, Ленинакан, потерял три четверти всех своих зданий, а город Спитак (население 16000) буквально сравнялся с землей. Разрушения усугубились после того, как за главным толчком последовала серия афтершоков, сильнейший из которых равнялся 5.8R.Около 2 миллионов жителей Армении остались без жилья и страдали от зимних морозов.

Землетрясение затронуло отдаленные районы страны.

6 августа 1988 года землетрясение прокатилось по границе Индии и Бангладеш. Землетрясение задело отдаленные районы и области на границе. Зарегестрировано 7.2 балла. Погибло 3 человека, и 12 было покалечено.

Глава 1. Прогноз землетрясений: первые пробы и ошибки

Проблема прогноза землетрясений интересовала человечество со времен его появления. В течение столетий землетрясения и их предсказание были окружены многими легендами. Например, в древние времена землетрясения воспринимались человеком как какая-то кара за проступки, Аристотель размышлял о землетрясениях, как о результате деятельности воздуха и паров в пещерах, в 19 веке французский ученый Пере и немецкий - Рудольф Фальтом искали и находили связь между землетрясениями и положением небесных светил. Впервые научную и вполне обоснованную точку зрения о причинах землетрясения высказал в 1757 году М.В.Ломоносов. В своей речи “о рождении металлов от трясения Земли” он разделил землетрясения на 4 типа, причем, впервые были установлены волнообразные колебания, распространяющиеся в коре, и нечувствительные трясения, незаметные для ощущения. Эдуард Зюсс высказал учение о связи землетрясения с тектоническими процессами. Там образом, проблемы прогноза землетрясений интересовала человечество многие века.

После ряда разрушительных землетрясений во многих странах мира - в Японии, США, КНР и в те годы еще не распавшемся СССР в первую очередь начались организационные работы по прогнозу землетрясений. В СССР это была вторая попытка: еще в 50-х годах прошлого века под руководством академика Г.А.Гамбурцева была развернута программа исследований по прогнозу землетрясений. Были получены новые, необычайно интересные сведения о строении земной коры, проведены региональные сейсмологические наблюдения, поставлены работы по поиску различных геофизических предвестников землетрясений. Результатов было много, ожидавшихся признаков грядущих подземных ударов выявить не удалось: они утонули в шуме побочных процессов в Земле, остались не замеченными и неисследованными. Первый подход к прогнозу окончился полной неудачей [3].

Следующую попытку предприняли в КНР. Китайские сейсмологи, учившиеся в 50-е годы в СССР, постарались учесть наш опыт. Прогнозные работы в КНР были развернуты с необычайной широтой. Здесь было создано Центральное сейсмологическое бюро и провинциальные центры, куда должны были регулярно поступать сведения о всякого рода аномалиях в природе. Работа началась, опыт копился, несколько раз довольно удачно сейсмологи указывали места и примерное время землетрясений. И первая грандиозная удача о которой китайские сейсмологи подробно рассказали в 1976 году на Межправительственном совещании ЮНЕСКО – это предсказанное за несколько часов землетрясение 1975 года в городе Хайчен. Общее ликование было, однако, преждевременным. Далеко не все землетрясения следовали Хайченскому образцу. Трагедии не заставила себя ждать. 26 июля 1976 года произошло не предсказуемое землетрясения с магнитудой 7 и эпицентром в 150 км к востоку от Пекина.

После этого случая оптимизм мировой общественности относительно прогноза землетрясений сильно уменьшился. А дела у сейсмологов шли с переменным успехом. Было 2-3 боле и менее удачных предсказаний времени и места землетрясения в Мексике. В Китае тоже несколько раз прогноз оправдывался с относительной точностью. Но основной процент составляли землетрясения, которые не были предсказаны [3]…

Глава 2. Виды прогноза

Различают долгосрочный, среднесрочный и краткосрочный прогнозы.

Наименее дискуссионным, пожалуй, является долгосрочный прогноз, плавно смыкающийся с задачами районирования [5]. Этот прогноз основывается на наблюдениях за изменением режима землетрясений, т.е. за появлением зон сейсмического застоя, за изменениями напряженного состояния вещества литосферы, изменением ее сейсмической прозрачности, наблюдении за тем, как отдельные небольшие блоки в своем поведении постепенно отказываются от самостоятельности и объединяются в процессе подготовки одного большого удара. Наблюдения над этими процессами могут дать сведения о подготовке землетрясения за срок от нескольких месяцев до нескольких лет [3].

Среднесрочный прогноз, дающий возможность получить предупреждение о сейсмическом событии за недели-месяцы обладает практической конкретностью. Этот прогностический уровень предполагает сценарий развития процесса разрушения по данным текущих наблюдений за геофизическими полями, за изменениями наклонов земной поверхности, режимные наблюдения над дебитом и химическим составом водных источников и глубоких водяных, нефтяных и газовых скважин. Используются формализированные критерии оценки статистической значимости каждого из предвестников и их комплекса. На основе установленных главным образом эмперических связей между параметрами предвестников и землетрясениями находится оценка места и магнитуды ожидаемого землетрясения [3,5].

Успехи по исследованиям среднесрочных предвестников скромны. Также как и в долгосрочном прогнозе специалисты вправе гордится конкретными результатами, но это исключение в общем потоке событий.

Краткосрочный прогноз – прогноз с заблаговременностью в несколько часов или дней. Здесь сохраняют силу почти все методы, описанные выше, но особое внимание уделяют активизации процесса изменения напряженно-деформированного состояния [3,5].

К надежности краткосрочного прогноза ввиду его большого социального значения должны предъявляться самые строгие требования. Особенно высока ответственность ученых и должностных лиц при объявлении “сейсмической тревоги”. Чтобы было понятно, насколько не проста здесь ситуация, напомним о знаменитом прогнозе китайских сейсмологов. В 1975 году они неоднократно объявляли тревогу в районе относительно небольшого города Хайчена, даже проводили эвакуацию населения. Несколько тревог оказались ложными, но в условиях аграрного района это не приводило к значительным экономическим потерям. Зато одна из эвакуаций была проведена за 2 часа до 9-бального землетрясения и позволила сохранить тысячи жизней. Однако уже в следующем году, обнаружив предвестники надвигающегося землетрясения, ученыу не решились объявить тревогу в г. Таншане6 с населением 1.3 млн. человек и развитой горнодобывающей промышленностью. Последовавшее землетрясение привело к гибели сотен тысяч людей [9].

Глава 3. Предвестники землетрясений

Следя за изменением различных свойств Земли, сейсмологи надеются установить корреляцию между этими изменениями и возникновением землетрясений. Те характеристики Земли, значения которых регулярно изменяются перед землетрясениями, называют предвестниками, а сами отклонения от нормальных значений – аномалиями [2].

Ниже будут описаны основные (считают, что их более 200) предвестники землетрясений, изучаемые в настоящее время.

Сейсмичность. Положение и число землетрясений различной магнитуды может служить важным индикатором приближающегося сильного землетрясения. Например, сильное землетрясение часто предваряется роем слабых толчков. Выявление и подсчет землетрясений требует большого числа сейсмографов и соответствующих устройств для обработки данных [2].

Движения земной коры. Геофизические сети с помощью триангуляционной сети на поверхности Земли и наблюдения со спутников из космоса могут выявить крупномасштабные деформации (изменение формы) поверхности Земли. На поверхности Земли проводится исключительно точная съемка с помощью лазерных источников света. Повторные съемки требуют больших затрат времени и средств, поэтому иногда между ними проходит несколько лет и изменения на земной поверхности не будут вовремя замечены и точно датированы. Тем не менее подобные изменения являются важным индикатором деформаций в земной коре [2].

Опускание и поднятие участков земной коры. Вертикальные движения поверхности Земли можно измерить с помощью точных нивелировок на суше или мареографов в море. Поскольку мареографы устанавливаются на грунте, а записывают положение уровня моря, они выявляют длительные изменения среднего уровня воды, которые можно интерпретировать как поднятия и опускания самой суши [2].

Наклоны земной поверхности. Для измерения угла наклона земной поверхности был сконструирован прибор, называемый наклономером. Наклономеры обычно устанавливаются около разломов на глубине 1-2 м ниже поверхности земли и их измерения указывают на выразительные изменения наклонов незадолго до возникновения слабых землетрясений [2].

Деформации. Для измерения деформаций горных пород бурят скважины и устанавливают в них деформографы, фиксирующие величину относительного смещения двух точек. После этого деформация определяется путем деления относительного смещения точек на расстояние между ними. Эти приборы настолько чувствительны, что измеряют деформации в земной поверхности вследствие земных приливов, вызванных гравитационным притяжением Луны и Солнца. Земные приливы, представляющие собой движение масс земной коры, похожее на морские приливы, вызывают изменения высоты суши с амплитудой до 20 см. Крипометры подобны деформографам и используются для измерения крипа, или медленного относительного движения крыльев разлома. [2].

Скорости сейсмических волн. Скорость сейсмических волн зависит от напряженного состояния горных пород, через которые волны распространяются. Изменение скорости продольных волн – сначала ее понижение (до 10%), а затем, перед землетрясением,- возврат к нормальному значению, объясняется изменением свойств горных пород при накоплении напряжений [2].

Геомагнитизм. Земное магнитное поле может испытывать локальные изменения из-за деформации горных пород и движения земной коры. С целью измерения малых вариаций магнитного поля были разработаны специальные магнитометры. Такие изменения наблюдались перед землетрясениями в большинстве районов, где были установлены магнитометры [2] .

Земное электричество. Изменения электросопротивления горных пород могут быть связаны с землетрясением. Измерения проводятся с помощью электродов, помещенных в почву на расстоянии нескольких километров друг от друга. При этом измеряется электрическое сопротивление толщи земли между ними. Опыты, проведенные сейсмологами Геологической службы США обнаружили некоторую корреляцию этого параметра со слабыми землетрясениями [2].

Содержание радона в подземных водах. Радон – это радиоктивный газ, присутствующий в грунтовых водах и в воде скважин. Он постоянно выделяется из Земли в атмосферу. Изменения содержания радона перед землетрясением впервые были замечены в Советском Союзе, где десятилетнее возрастание количества радона, растворенного в воде глубоких скважин, сменилось резким его падением перед Ташкентским землетрясением 1966 года (магнитуда 5.3) [2].

Уровень воды в колодцах и скважинах. Уровень грунтовых вод перед землетрясениями часто повышается или понижается, как это было в Хайчэне (Китай), по-видимому из-за изменений напряженного состояния горных пород. Землетрясения могут и прямо влиять на уровень воды; вода в скважинных может колебаться при прохождении сейсмических волн, даже если скважина находится далеко от эпицентра. Уровень воды в скважинах, находящихся вблизи эпицентра, часто испытывает стабильные изменения: в одних скважинах он становится выше, в других – ниже [2].

Изменение температурного режима приповерхностных земных слоев. Инфракрасная съемка с космической орбиты позволяет “рассмотреть” своеобразное тепловое покрывало нашей планеты – невидимый глазу тонкий слой в сантиметры толщиной, создаваемый вблизи земной поверхности ее тепловым излучением. Сейчас накоплено много факторов, которые говорят об изменении температурного режима приповерхностных земных слоев в периоды сейсмической активизации [8].

Изменение химического состава вод и газов. Все геодинамически активные зоны Земли отличаются существенной тектонической раздробленностью земной коры, высоким тепловым потоком, вертикальной разгрузкой вод и газов самого пестрого и нестабильного во времени химического и изотопного состава. Это создает условия для поступления в подземные

Поведение животных. В течение столетий многократно сообщалось о необычайном поведении животных перед землетрясением, хотя до последнего времени сообщения об этом всегда появлялись после землетрясения, а не до него. Нельзя сказать, действительно ли описанное поведение было связано с землетрясением, или же это было просто обычное явление, которое каждый день случается где-нибудь в окрестностях; к тому же в сообщениях упоминаются как те события, которые вроде бы случились за несколько минут до землетрясения, так и те, что произошли за несколько дней [2].

Глава 4. Миграция предвестников землетрясений

Значительную сложность при определении места очага будущего землетрясения по наблюдениям за предвестниками представляет собой большой ареал распространения последних: расстояния, на которых наблюдаются предвестники, в десятки раз превышают размеры разрыва в очаге. При этом краткосрочные предвестники наблюдаются на больших расстояниях, чем долгосрочные, что подтверждает более слабую их связь с очагом (рис. 1) [9].

Глава 5. Теория дилатансии

Теория, способная объяснить некоторые из предвестников, основана на лабораторных опытах с образцами горных пород при очень высоких давлениях. Известная под названием “теория дилатансии”, она впервые была выдвинута в 1960-х годах У.Брейсом из Массачусетского технологического института и развита в 1972 году А.М. Нуром из Станфордского университета. В этой теории дилатансия обозначает увеличение объема горной породы при деформации. Когда происходят движения земной коры, в породах растут напряжения и образуются микроскопические трещины. Эти трещины меняют физические свойства пород, например, уменьшаются скорости сейсмических волн, увеличивается объем породы, меняется электросопротивление (возрастает в сухих породах и уменьшается во влажных). Далее, по мере того, как в трещины проникает вода, они уже не могут схлопываться; следовательно, породы увеличиваются в объеме, и поверхность Земли может подняться. В результате вода распространяется по всей расширяющейся зане, повышая поровое давление в трещинах и снижая прочность пород. Эти изменения могут привести к землетрясению. Землетрясение высвобождает накопленные напряжения, вода выдавливается из пор, и многие из прежних свойств пород восстанавливаются [2].

Глава 6. Методы прогноза землетрясений

6.1. Модели подготовки землетрясений

Современные модели подготовки землетрясений построены на основании сопоставления опыта лабораторного моделирования и результатов полевых наблюдений сейсмичности. Теоретическую основу составляют представления механики и физики разрушения материалов и горных пород. Акт землетрясения рассматривается как итог долговременной эволюции трещинообразования в земле. В разных моделях уделяется различное внимание масштабу рассматриваемых геологических разрывов – трещин, их расположению в пространстве, дополнительным физико-механическим факторам, влияющим на протекание процесса трещинообразования [10]. Здесь описываются только наиболее разработанные модели, претендующие на объяснение природы предвестников.

Модель лавинно-неустойчивого трещинообразования (ЛНТ)

Модель создана специалистами института “Физика Земли”. Суть модели состоит в том, что различные стадии образования трещин (разных масштабов), сопровождаемые изменениями скорости деформирования в очаговой области и вне ее, неизбежно ведут к изменениям физических свойств среды. Отражается это и в вариациях сейсмического режима, т.е. изменениях числа слабых землетрясений, их величины и пространственного расположения [9].

Одна из таких ситуаций недавно проверялась Г.А.Соболевым в лаборатории на простой модели землетрясения, развивающегося в условиях долговременного сейсмического затишья. На множестве образцов размером от десятков сантиметров до нескольких метров были прослежены все этапы образования трещин и установлены три главные стадии подготовки микроземлетрясения [9].

На первой стадии постепенно накапливались трещины, размер которых на несколько порядков меньше главного разрыва. Затем мелкие разрывы объединялись в более крупные. Н а заключительной стадии образование разрывов лавинообразно нарастало, причем все они локализовались в области будущего главного разрыва. Характерно, что даже в такой упрощенной модели удалось выделить периоды повышения сейсмической активности и затишья, аналогичные наблюдающимся перед реальными землетрясениями [9].

Эксперименты подтвердили справедливость основных положений модели ЛНТ. В частности, было доказано, что изменения поля упругих деформаций и сейсмического режима можно рассматривать как долгосрочные предвестники. Однако в рамках данной модели пока не удалось обнаружить надежные краткосрочные предвестники [9].

На объяснение природы долгосрочных предвестников претендует и гипотеза подготовки землетрясения за счет уплотнения вещества, предложенная И.П.Добровольским. Последняя стадия процесса подготовки объясняется в ней все тем же лавинно-неустойчивым трещинообразованием [9]

Дилатантно-диффузионная (ДД) модель

Модель ДД разработана американскими учеными. В ней проявление предвестников объясняется поступлением воды в очаговую зону будущего землетрясения, после того как из-за резкого роста тектонических напряжений там начинается массовое образование микротрещин. В последнее время эта модель дополнена количественными оценками. Рассматривая вариант так называемого мягкого включения, Дж. Райс показал, что состояние динамической (сейсмической) неустойчивости в реальном массиве пород должно наступать с запаздыванием, так как изменяется внутрипоровое давление и начинается фильтрация жидкости. Если исходить из предполагаемой скорости увеличения механических напряжений в сейсмоопасном районе, равной 1кг/ кв см в год, то расчетное время “запаздывания” землетрясения по сравнению с началом фильтрации воды в очаговую зону должно составлять несколько месяцев, т.е. этот эффект приложим только к долгосрочным и среднесрочным предвестникам. Вопрос о природе краткосрочных предвестников в рамках данной модели остается открытой [9].

Модель “крип” - постепенно ускоряющееся движение бортов уже существующего разлома

В разных странах широко развивается гипотеза появления землетрясения за счет крипа – постепенно ускоряющееся движение бортов уже существующего разлома. Классические лабораторные эксперименты в рамка этой гипотезы выполнил в США Дж.Дитрих. Перед подвижкой, рассматриваемой как аналог землетрясения, на лабораторной модели землетрясения последовательно наблюдались два явления. Вначале регистрировался медленный (несколько сантиметров в секунду) крип. Затем вдоль разлома или его части он экспоненциально ускорялся (до десятков и сотен метров в секунду), завершаясь динамической подвижкой и излучением сейсмических волн. Несмотря на привлекательность модели, при объяснении природы краткосрочных предвестников землетрясений она также наталкивается на ряд трудностей. Во-первых, остаются непонятными большой ареал распространения таких предвестников, а также обширность области их генерации. Во-вторых, даже в районе разлома Сан-Андрес в Калифорнии, где данная модель работает наилучшим образом, перед большинством землетрясений зарегистрировать краткосрочные предвестники не удалось. Возможно, это объясняется малой областью развития крипа, предшествующего неустойчивому распространению разрыва. В таком случае обнаружить предварительную миграцию крипа как краткосрочный предвестник принципиально возможно, но практически трудно выполнимо [9]

Можно привести еще много моделей подготовки землетрясений, таких как: модель консолидации, модель неустойчивого скольжения, модель фазовых превращений и др., но при их детальном рассмотрении оказывается, что достоинства модели перекрываются ее недостатками.

Все рассмотренные выше модели основаны на попытке воспроизвести изучаемый процесс, происходящий в природе, на модели. Но при моделировании землетрясений в лабораторных условиях следует, строго говоря, соблюсти условия подобия процессов в натуре и модели. Горные породы же в лабораторном эксперименте не могут моделировать самих себя в естественных условиях. Кроме того, бесполезно моделировать все свойства естественного процесса в одном опыте [10].

В лаборатории мы выбираем модель линейного развития процесса, но в природе не существует чисто линейных процессов. Помимо этого, для моделирования в лаборатории надо знать начальные параметры изучаемого процесса, а их определение с необходимой точностью невозможно, но даже исследование этого дает поведение системы только в определенных условиях. А значит, моделирование не дает возможности прогнозировать исследуемый процесс. В настоящее время моделирование не всегда приводит к желаемым результатам, но возможно, со временем, придет новое понятие поведения этой системы, и ученые добьются желаемого результата.

6.2. Алгоритм КН - ретроспективный анализ

Алгоритм КН предложен для среднесрочного прогноза землетрясений, т.е. прогноза, в котором тревога объявляется на несколько лет. Алгоритм КН был разработан около 20 лет назад путем ретроспективного анализа каталогов землетрясений Калифорнии и Невады., отсюда и его название. Он принадлежит к семейству алгоритмов, основанных на анализе характерных особенностей, возникающих в общем потоке землетрясений перед сильным землетрясением [6].

Дадим качественное описание алгоритма КН. Сильное землетрясение определяется условием М>Мо, где М-магнитуда, а Мо выбирается так, чтобы средний интервал времени между сильным землетрясением в исследуемом регионе был достаточно большим, практически 7-10 лет. Тревога объявляется, если группирование землетрясений велико, сейсмическая активность высока и продолжает расти, и рост сейсмической активности предварялся затишьем [6,7].

Результаты испытаний алгоритма КН на независимом материале следующий: за рассмотренный период времени в исследованных регионах произошло 29 сильных землетрясений, диагностированы 23 из них; средняя продолжительность тревоги на сильное землетрясение – 1,8 года [6,7] .

Глава 7. Специальное заседание Отделения геологии, геофизики, геохимии и горных наук АН СССР 1989 года

Академик В.И.Кейлис-Борок.

Почему долгосрочные прогнозы пока не точны? И почему не удаются краткосрочные прогнозы? Главная причина – хаотический характер динамики сейсмо-активных разломов в том масштабе времени, который как раз и интересен для прогноза, т.е. годы и месяцы. В системе разломов действуют много механизмов, создающих сильную неустойчивость. Например, миграция флюидов – циркулирующих в земной коре насыщенных газами растворов – способна снизить прочность разлома на целых пять порядков. Значит, вторжение флюидов может спровоцировать землетрясение почти неожиданно, отразившись в электропроводности или слабой сейсмичности. Неустойчивость создают и химическое разупрочнение пород, и фазовые переходы с потерей объема, а также чисто механические явления – растрескивание, смятие пород и т.д. Действуя вместе, все эти механизмы превращают литосферу в хаотическую нелинейную систему, а в такой системе, как известно, прошлое не определяет будущее. Отсюда трудность прогноза [11].

Поведение нелинейной системы можно предсказать ценой ее сглаживания – с потерей деталей. И чем больше сглаживание, тем крупнее становятся пространственные и временные масштабы, в которых прогноз, не скажу – возможен, но, по крайней мере, не невозможен. Так что задача прогноза становится как последовательное сужение пространственно-временного объема, где следует ожидать сильного землетрясения. Поэтому, я думаю, нам нужно воспринимать прогноз землетрясений как некий процесс сглаживания неопределенности, а не как неожиданное объявление тревоги. Точные и малоточные прогнозы позволяют предотвращать большой ущерб за счет экономических мероприятий “ранней готовности” [11].

Что же необходимо для успешного предсказания землетрясений [11]?

Прежде всего, новая теория. Не имея ее, мы пытались давать прогнозы: краткосрочный и сильных повторных толчков. И тут же остро почувствовали, что одной феноменологии недостаточно. А ведь прогноз сильных повторных толчков – это критическая задача, особенно если говорить не буквально об этих толчках, а вообще о землетрясениях неподалеку [11].

Член-корреспондент АН СССР В.Н.Страхов.

Что касается прогноза землетрясений, то его не следует рассматривать как некий не разрешимый в будущем вопрос. Этому помогут сейсмостатика, геология, тектоника, сейсморайонирование [11].

В нашей стране 20 институтов Академии наук занимаются проблемой прогноза, а вместе с другими министерствами и ведомствами число таких организаций составляет 50. Для сравнения скажу, что во всем мире этой проблемой занимаются тоже 50 институтов и университетов [11].

Если мы выделим разумный масштаб времени для исследований такого направления, учтем прогресс, существующий сейчас в сейсмологии, и не будем вкладывать в термин “прогноз” административный смысл, мы сможем добиться успеха. Но при одном условии: нужна служба унифицированных наблюдений, оснащенная современной аппаратурой, и хорошая инспекция, и мощный алгоритм обработки [11].

Глава 8. Совещание “Оценка проектов по прогнозу землетрясений”1996 года в Лондоне

На совещании “Оценка проектов по прогнозу землетрясений”, проводившемся в Лондоне 7-8 ноября 1996 года Королевским Астрономическим Обществом совместно с Объединенной Ассоциацией геофизики рассматривались принципиальные вопросы эффективности проектов прогнозирования в наиболее общей, в некоторой степени, философской постановке. На совещании господствовал глубокий пессимизм не только по поводу состояния проблемы на сегодня, но и относительно планов на обозримое будущее. По существу участники совещания вторили доводам J.B.Maceiwane и C.F/Richter, доказывавшим невозможность прогнозирования землетрясений. За истекшие 50 лет, по мнению участников конференции, этому, практически, нечего противопоставить [5].

Основные аргументы совещания 1996 года сводились к следующему:

1. Прогноз в настоящее время не возможен вследствие хаотической, в высшей степени не линейной природы процессов подготовки в очаге (I.G.Main).

2. Земная кора находится в состоянии самоорганизованной критичности, не имеющей характерных размеров и, следовательно, надежные оценки места, времени и силы землетрясения не возможны. (S.Crampin).

3. Казавшаяся очевидной парадигма, согласно которой сейсмическому событию, реализующему огромную энергию должны предшествовать идентифицируемые и наблюдаемые предвестники, оказалась неверна. Землетрясениям присуща непредсказуемость. (R.J.Geller).

4. ЭМ предвестники регистрируются до расстояния в несколько сотен км. Возможны ли физические механизмы объяснения этих ЭМ эффектов? (Дискуссия).

5. Даже наиболее оптимистические физические модели могут объяснить лишь 1% амплитуды регистрируемых электрических сигналов. (P.Bernard).

6. Не существует физической основы прогноза индивидуального землетрясения. (I.G.Main).

7. Лабораторное моделирование не решает проблемы из-за не соответствия шкалы времени, скоростей деформаций, окружающих условий. (дискуссия).

8. Статический подход предпочтительнее исследования физических процессов. Предположение об однородности среды неверно изначально. В такой среде крайне не вероятно появление каких либо предвестников. (P.C.Leary).

9. Концентрация усилий на статических оценках сейсмического риска целесообразней прогностических исследований. (F.Mulagria).

10. Нежелательные инциденты, вследствие возможной паники и потерь в индустрии туризма, при малочисленности жертв от землетрясений в Греции делают даже правильный прогноз экономически не выгодным. (S.Stiros).

Трудно не согласиться с прозвучавшей критикой подходов к организации исследований и тем более результатов, в основе своей конструктивной и справедливой. Однако участники совещания не скрывали сожаления в том, что лишь небольшое число оптимистов было приглашено к участию в совещании, что не способствовало конструктивному диалогу [5].

Несмотря на категоричный тон дискуссии, на совещании не было и не могло быть приведено доказательств принципиальной невозможности прогноза. По существу все приводимые доводы сводились к констатации сложности и слабой изученности вопроса. Но незнание не может служить доказательством невозможности [5].

Заключение

Оптимизм 60-70-х годов относительно возможности прогноза землетрясений сменился в 90-х годах глубоким пессимизмом. Распределение предвестников мозаично. Связь с землетрясением какого-либо геофизического параметра до сих пор не установлена и применение математических способов едва ли уменьшит эту неопределенность. Проблема прогноза не вышла за рамки научного поиска, остаются нерешенными все основные ее составляющие. Применение алгоритма КН, разработанного около 20 лет назад для среднесрочного прогноза, привело, вместо ожидавшегося предсказания 80% сильных землетрясений, к ошибкам типа “ложная тревога” - 30%, “пропуск цели” - 32%. Академик В.И.Кейлис-Борок, отмечая, что разрушительное Рачинское землетрясение 1991 года спрогнозировать не удалось, но повторный сильный толчок был предсказан, пишет: “Наш прогноз подтвердился. Но у меня лично от этого ощущение – это в основном беспомощность… Точность не велика, методика пока чисто эмпирическая…” [4]. Тяжелая ошибка (в 3 балла) “пропуска цели” на карте ОСР-78 – разрушительное Спитакское землетрясение 1988 года [10]. В США с 1977 года не было предсказано ни одно землетрясение [12]. “Согласно новой модели, землетрясение случайны”, резюмируют исследователи сейсмичности Калифорнии. Ныне в США отказались от проведения масштабных прогностических работ [2]. В Японии за 30 лет ни одного случая прогнозирования не было. Совещание по прогнозу землетрясений в Лондоне в 1996 году констатировало их непредсказуемость за истекшие 50 лет, весьма пессимистично оценило перспективы на будущее [5].

Таким образом, при всем обилии проведенным и проанализированных наблюдений, место, время и магнитуда будущих разрушительных землетрясений даже в хорошо изученных регионах по-прежнему оказывается неожиданным. Тем не менее, необходимо собирать все новые, дополнительные данные, но какие? Комплекс возможных параметров в том или ином многопризнаковом факторе можно варьировать и расширять беспредельно, однако рамки реальных возможностей всегда заставляет как-то его ограничивать. Перспективен ли вообще такой путь?

А пока нет ответа на этот и многие другие вопросы, у человечества есть только один способ обезопасить себя – развивать и совершенствовать сейсмостойкое строительство на территориях, которые подвержены влиянию сильных землетрясений.

Список литературы

1. Войтов Г.И., Попов Е.А. Геохимический прогноз землетрясений. Природа. 1989. №12.С60-64.

2. Гир ДЖ., Шах Х. Зыбкая твердь. М., Мир, 1988. 220 с.

3. Друмя А. Землетрясения: где, когда, почему? Кишенев, Штиинца, 1985, с. 195.

4. Кейлис-Борок В.И. Повторный сильный толчок землетрясений: прогноз возможен. Наука в России. 1992. №1. С.60-63.

5. Моргунов В.А. Реальности прогноза землетрясений. Физика Земли. 1999. №1. С.79-91.

6. Новикова О.В., Ротвайн И.М. Опыт заблоговременного прогноза землетрясений с помощью алгоритма КН. Докл. РАН. 1996. Т348. №4. С.548-551.

7. Рейснер Г.И. Почему ошиблась карта. Природа. 1989. №12. С. 12-19.

8. Салман А.Г., Шилин Б.В. Сейсмическая активность: взгляд из космоса. Природа. 1989. №12. С. 55-58.

9. Соболев Г.А. Проблема прогноза землетрясений. Природа. 1989. №12. С.47-55.

10. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М., Наука, 1993. 313 с.

11. Соломатина Э.К. Предвидеть земную бурю. Наука в СССР. 1990. №3. С. 5-13.

12. Ashida M. Faultu premise. Sciences. 1996. Vol. 36, №5. P. 15-19.