Дрожь Земли
|
| «VARII HI TERRAE MOTUS NON SEMPER SIMPLICES CONTINGUNT; SED TREMOR CUM VALIDIS VIBRATIONIBUS SAEPE INCIDIT» в переводе с латинского означает: «Разные сии земли трясения не всегда по одному раздельно бывают, но дрожание с сильными стреляниями часто соединяется». М. В. Ломоносов. «Слово о рождении металлов от трясения земли». |
Движения плит
Почему возникают землетрясения? Общепринятое объяснение предлагает теория тектоники плит. Согласно этой теории, литосфера, хрупкая твердая оболочка Земли (и только ее среди всех известных нам планет этого типа), немонолитна. Она разбита на плиты, которые перемещаются за счет движения расположенной ниже пластичной твердой оболочки — астеносферы. А та, в свою очередь, движется из-за конвективных движений в мантии планеты: горячее вещество поднимается вверх, а остывшее опускается. Почему такого не происходит на других планетах, неясно, а вот для Земли теория тектоники плит считается доказанной с шестидесятых годов XX века. Обнаружилось, что протяженные возвышенности на дне океана — так называемые срединные океанические хребты — сложены самыми молодыми породами, причем их склоны постоянно удаляются друг от друга. Эти области назвали зонами спрединга (расширения) земной коры. Считается, что сквозь образующиеся при таком движении разломы из глубин планеты поступает свежая магма, обеспечивая как само по себе поднятие, так и высокую вулканическую активность таких районов.
Со временем выяснилось, что поверхность мантии разбита на несколько так называемых конвективных ячеек. Подобные ячейки можно наблюдать в слое масла, налитого на горячую сковородку. По их краям вещество поднимается или опускается, в центральной же части движется вдоль поверхности (в данном случае вдоль поверхности Земли). Вот это движение со скоростью сантиметры в год и увлекает плиты земной коры. Оно не только смещает плиту, но и деформирует ее край, причем напряжения и деформации нарастают у того края ячейки, где вещество устремляется вниз.
Сейчас на планете есть восемь крупных плит, покрывающих 90% ее поверхности. На семи расположены материки, давшие им названия — Евразийская, Индостанская, Африканская, Северо-Американская, Южно-Американская, Антарктическая, Австралийская, а Тихоокеанская — чисто океаническая плита. Кроме того, остались следы прошедших эпох — десятки средних и множество мелких плит, расположенных между крупными.
Все плиты движутся друг относительно друга, причем можно выделить три основных типа движения: расхождение, схождение и сдвиг. Они-то и дают основные виды сейсмической и вулканической активности планеты.
Расхождение порождает разломы земной коры, которые на дне океана проявляются в виде упомянутых зон спрединга, а на континенте — в виде рифтовых зон. С ними связаны вулканы. Однако если в срединно-океанических хребтах есть множество черных курильщиков и выходов горячих вод, то на континенте это не так. Возможно, причина в том, что картина неполна: сейчас есть только одна активная континентальная рифтовая система — в Восточной Африке. Протянувшийся на 6000 км от Сирии до Мозамбика, рифт включает в себя Красное море и Великие африканские озера. Считается, что в будущем он станет новым океаном, причем на севере Эфиопии геофизики уже заметили начало процесса формирования океанической коры. Вдоль рифта есть вулканы, как действующие (Дубби в Эфиопии), так и потухшие (Кения в Кении, Меру в Танзании), но их немного. Байкальская впадина тоже считается рифтом, однако на вопрос «почему же тогда в Забайкалье нет вулканов?» ясного ответа нет.
Схождение приводит к столкновениям плит, результат же бывает трех типов. Первый — океаническая плита попадает под континентальную и погружается в мантию, обеспечивая круговорот вещества в недрах планеты: получается зона субдукции. Континентальная кора в этом месте из-за трения плит друг о друга деформируется, сморщивается, порождая высокие горы. Типичный пример — Анды по границе плиты Наска и Южно-Американской плиты. При столкновении двух океанических плит тоже образуется зона субдукции. Возникающие складки, по сути, подводные горы, частично могут выходить на поверхность, образуя островные дуги — Курильские, Алеутские острова, Филиппинские. Их строение однотипно: выпуклая сторона дуги направлена к поглощаемой плите, там же расположен глубоководный желоб, с другой стороны — море. В обоих случаях субдукции на оказавшейся сверху плите образуются вулканы. Поскольку основные зоны субдукции сейчас связаны с периферией Тихоокеанской плиты, именно по его побережью и расположено так называемое Огненное кольцо, объединяющее большую часть вулканов планеты.
Когда сталкиваются две континентальные плиты, происходит коллизия: сминаются края обеих плит и образуются высокие складчатые горы. Типичный пример — Гималаи. Поскольку континентальная кора гораздо толще океанической, условия для формирования вулканов в таких областях неблагоприятны.
Сдвиговые перемещения плит сейчас редки. На континенте существует одно-единственное место с таким типом движения — разлом Сент-Андреас в Северной Америке. Именно на его территории стоит город Сан-Франциско, часто разрушаемый землетрясениями.
Не надо думать, что все ограничивается только границами плит. И в центре их могут происходить интересные для сейсмологов и вулканологов события. Движение вещества внутри Земли не исчерпывается конвективными ячейками, есть еще и мощные, относительно узкие восходящие потоки очень горячего вещества, берущие свое начало чуть ли не от ядра планеты. Такие потоки называют плюмами. Они могут вызвать образование горячих точек, где кора проплавляется и деформируется посередине плиты. Типичное детище плюма — Гавайские острова со своими многочисленными вулканами.
Движения блоков
Поскольку плиты находятся в постоянном движении, они трутся друг о друга и порождают напряжения, которые разрушают верхнюю часть коры и дробят ее на блоки. Движение этих блоков и приводит в конечном счете к землетрясениям.
Механизм тут такой. Под действием напряжений, возникающих от взаимодействия плит, блоки стремятся двигаться друг относительно друга, но это получается не всегда. В остановившихся блоках возникают напряжения, а материал под их действием деформируется. Когда величина напряжений превышает прочность препятствия, оно разрушается, а накопленная в виде деформации энергия снимается, порождая сейсмические волны (вспомним струну, которую музыкант сначала деформирует, а потом отпускает, и та издает звуки). Деформация снимается не одномоментно: крупному землетрясению могут предшествовать форшоки — когда препятствие начинает ломаться и блоки приходят в движение. А за ними, как правило, следуют афтершоки, пока не закончится перераспределение напряжений во всех блоках.
Для человека землетрясение всегда проявляется в виде поверхностных волн. Однако разрядка напряжений может происходить и в виде объемных волн — так бывает, если очаг землетрясения лежит глубоко. При этом, с одной стороны, часть энергии уходит в глубь Земли и мощность поверхностных волн оказывается ниже, а с другой — объемная волна может отражаться от препятствий и интерферировать сама с собой, порождая сложное распределение амплитуд колебаний поверхности.
Для оценки силы землетрясений американский сейсмолог Чарльз Рихтер предложил в 1935 году шкалу магнитуд. Значения на этой шкале определяются десятичным логарифмом перемещения стрелки сейсмографа. Увеличение магнитуды на единицу соответствует десятикратному росту амплитуды колебаний земной поверхности и тридцатикратному — энергии землетрясения. Эта методика хорошо подходила для оценки поверхностных волн (Рихтер работал в Южной Калифорнии, где очаги землетрясений залегают неглубоко). Для учета объемных волн появились модификации шкалы Рихтера. Они тоже несовершенны, поскольку при магнитуде около 8 наступает насыщение — даже значительное различие между землетрясениями по энергии укладывается в небольшое изменение магнитуды. Помимо шкалы Рихтера есть еще и сейсмические шкалы интенсивности землетрясения, которые применяют при расчетах прочности зданий. Используемая у нас шкала Медведева—Шпанхойера—Карника насчитывает 12 баллов и перечисляет последствия толчков для поверхности планеты — от «ощущается только приборами» до «изменения рельефа и разрушения всех зданий». Соотношение между этими шкалами сложное. Вот, например, Японское землетрясение 11 марта 2011 года имело магнитуду 9,2 балла, а его интенсивность японские сейсмологи оценили по своей 7-балльной шкале как 7 баллов в городе Курихара (почти вся мебель в доме сильно двигается, летают предметы, почти во всех зданиях вылетают окна, со стен откалываются штукатурка и плитка) и более 5 баллов в Токио (с полок падает почти вся посуда и книги, иногда падают шкафы и другая тяжелая мебель, рушатся многие стены неукрепленных блочных ограждений).
Причина в том, что последствия зависят не только от магнитуды землетрясения, но и от глубины залегания очага. Кроме того, волны могут проявляться в виде как вертикальных, так и горизонтальных колебаний поверхности. В первом случае строения на ней поднимаются и опускаются, претерпевая относительно небольшие разрушения, а при значительной горизонтальной составляющей на здание будет действовать и сила, направленная вбок, тогда разрушения окажутся больше. Горизонтальные колебания приводят к появлению разрывов в поверхности, порой весьма значительных.
Примерно такие общие соображения о механизме землетрясений и лежат в основе практической деятельности геофизиков, которые должны решать три задачи. Первая — дать научно обоснованные рекомендации по нормам строительства, то есть определить, с какой вероятностью в данной местности произойдет землетрясение той или иной силы, вторая — предсказать землетрясение с точностью хотя бы до недели, а лучше до дня, третья — предотвратить особо сильное землетрясение.
Из трех задач лишь первая решается более или менее удачно. Это неудивительно: расположение блоков земной коры известно неплохо, направления и скорости их движения — тоже, тем более что сейчас за ними можно следить с помощью спутниковых систем навигации, поэтому предположить место и силу будущего землетрясения, накопив достаточную статистику наблюдений, можно. Другое дело — указать время. Эта задача пока не решена.
Карта сейсмической опасности
Для предотвращения крупных катастроф составляют карты сейсмической опасности. Самую свежую карту такого рода для РФ отечественные геофизики составили в 2007 году. Она вобрала в себя новейшие научные данные и существенно отличается от последней советской карты, принятой в 1975 году. На территории РФ проходит несколько активных в сейсмическом отношении разломов: одни из них образовались от современных движений литосферных плит, другие представляют собой реликты древности.
Большая часть нашей страны лежит на Евразийской плите. Восточная часть, примерно за Верхоянским хребтом или линией, соединяющей Магадан и устье Лены в районе Тикси, принадлежит Северо-Американской плите (эта граница далее уходит в море Лаптевых и тянется в Арктику). Южная часть Камчатки, Сахалин и Курилы расположены на Охотоморской плите, а область от Забайкалья до Удской губы Охотского моря — на Китайской. Как нетрудно догадаться, по этим границам и расположены наши основные сейсмо- и вулканоопасные районы. Особенно сильные напряжения на востоке создает Тихоокеанская плита, прижимающая Охотоморскую плиту к Китайской, — отсюда частые землетрясения на Курилах, Сахалине и Камчатке. Китайская плита, двигаясь на северо-запад, в свою очередь создает мощные сейсмически активные районы в Забайкалье, на Алтае и в Средней Азии. Еще один такой район — на Кавказе, где Аравийская плита, подталкиваемая Африканской и Иранской, сталкивается с Евразийской.
|
| Карта сейсмической опасности России. Изображение с сайта seismos-u.ifz.ru |
В европейской части страны наибольшую опасность представляют собой реликты древних плит в Карпатах. Там расположена и зона древних вулканов, и вполне современные очаги мощных землетрясений в румынском районе Вранча, волны от которых время от времени доходят даже до равнинных центральных районов страны. Оттуда в 1977 году до Москвы докатились волны, устроившие землетрясение силой чуть больше четырех баллов.
Строение коры, лежащей под нами, в конечном счете определяет и сейсмическую опасность, и нормы строительства, которые должны обеспечить устойчивость зданий. Что бывает, когда нормы не соблюдены, — видно на примере землетрясения в Спитаке в 1986 году (25 тысяч жертв, 6,8 баллов) или на Гаити в 2010 году (222 тысячи погибших, 7,0 баллов). А вот землетрясение в Чили спустя полтора месяца после гаитянского унесло 570 жизней при силе 8,8 балов; на счету одного из сильнейших землетрясений за всю историю наблюдений — 11 марта 2011 года в Японии, основные толчки чудовищной силы, многочисленные афтершоки и разрушительное цунами — 28 тысяч жертв, причем даже огромные токийские небоскребы не потеряли устойчивости. Это значит, что современные технологии строительства вполне могут обеспечить безопасность конструкций, если правильно оценить уровень опасности. Поэтому карты сейсмической опасности — документы государственной важности. Но создавать такие карты могут только развитые государства, с разветвленной системой сейсмических станций и большим штатом геофизиков, способных строить математические модели явления и вести наблюдения за потенциальными очагами землетрясений.
Для долгосрочного прогноза нужно знать многое: статистику прежних землетрясений в этом и соседних районах, расположение и направление движения блоков земной коры, строение очагов, влияние антропогенной нагрузки, например появление искусственных полостей и поверхностных водоемов. И к каждому опасному району нужен свой подход.
Ученые расходятся во мнениях о том, как надо строить долговременный прогноз землетрясений и на какой теории следует остановиться. Одни полагают, что напряжения постепенно накапливаются примерно в одном и том же месте и нужно тщательно изучать строение каждого конкретного очага. Другие — что в первую очередь надо следить за движениями блоков земной коры. Третьи обращают основное внимание на статистику землетрясений. Есть мнение, что землетрясения надо рассматривать в динамике как закономерные перемещения одного очага.
В качестве примера приведем анализ сейсмической обстановки в районе Кавказа, выполненный главным научным сотрудником Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН, доктором геолого-минералогических наук В. И. Уломовым с коллегами (см. сайт «Внимание! Землетрясение!»).
На Кавказе землетрясения не редкость, кроме того, есть еще и возможность извержения Эльбруса. Понятно, что сейсмичность и вулканизм этих гор связаны с движениями Аравийской, Иранской и Евразийской плит. Но какие именно напряжения при этом возникают и как они снимаются?
Здесь помогает геодинамика — теория, рассматривающая земную кору как постоянно изменяющееся образование. Одна из основных ее идей применительно к землетрясениям — это представление о геоне, уединенной волне деформации, распространяющейся вдоль разлома. Механика твердого тела, вообще говоря, не позволяет блоку земной коры смещаться как единому целому — для этого нужно слишком много энергии. Однако такой сдвиг можно осуществить не одномоментно, а растянуть его во времени — смещать отдельные участки, как это делает ползущий червяк, который в одном месте сжимается, а в другом расширяется. Область уплотнения или разуплотнения размером в десятки, а то и сотни километров, идущая вдоль разлома, — это и есть геон. Там, где он прошел, блок сместился. (Вспоминается уже не Посейдон, а змей Ёрмунганд из скандинавской мифологии — Мировой Червь, который обвивает землю и сотрясает ее своими судорогами.)
Именно геоны срезают препятствия, тормозящие движения блоков, и вызывают землетрясения, а их периодическая генерация — причина периодических землетрясений в одном и том же районе. Обнаружив геон, определив направление и скорость его движения (а она измеряется несколькими километрами или десятками километров в год), можно предсказать район и силу будущего землетрясения. Время же удается определить с точностью до десятилетий.
Выявлять геоны помогает история землетрясений. В районе Кавказа можно выделить три траектории движения геонов: Кипр — Кавказ, Анатолия — Эльбурс (это горы на юго-восток от Каспийского моря) и Крым — Копетдаг. Ширина каждой полосы — около 200 км.
Первый геон совпадает с Восточно-Анатолийским разломом и упирается в гору Казбек. В VII —XII веках в юго-восточной части полосы, на Кипре и в Леванте случилось четыре землетрясения силой более 7,8 баллов. Потом — затишье на семь веков. В конце XIX века землетрясения силой 6,8 баллов случались уже в Турции. В XX веке в Турции было шесть землетрясений силой более 6,8 баллов. А в конце века землетрясения перебрались в Армению (Спитак) и Грузию (Рача-Джава).
На линии Анатолия — Эльбурс с 742 года можно выделить три периода миграции сейсмических событий с юго-востока на северо-запад, каждый из которых продолжался примерно 400 лет и заканчивался наиболее сильным из всей серии землетрясением. В последний раз это случилось в 1939 году в турецком городе Эрзинджан (8 баллов), где эта линия пересекается с линией Кипр — Кавказ.
На линии Крым — Копетдаг движение начинается в Иране, где с 940 по 1402 год случилось несколько сильных землетрясений. После 266 лет затишья (которое могло быть и мнимым, связанным с утратой документов) очень сильное, 8-балльное, землетрясение случилось уже в Азербайджане, в Шемахе. Спустя еще 227 лет, в 1895 году, землетрясение в 8 баллов произошло на Туркменском берегу, в Красноводске, в 1902 — опять в Шемахе, в 1905 — в Теберде, в 1927 — в Ялте, в 1946 — снова в Туркмении (Казанджик), в 1991 — в Грузии (Рача), в 2000 — еще раз в Туркмении (Балхан).
Поскольку вычислить периодичность землетрясений разной силы вдоль той или иной линии не столь уж трудно, можно дать долгосрочный прогноз. Так, четкое движение очагов вдоль линии Кипр — Кавказ подсказывает, что с каждым годом растет вероятность сильного землетрясения на востоке Северного Кавказа, и, скорее всего, аналогичное Спитакскому или Рача-Джавскому землетрясение (около 7 баллов) случится здесь в период 2013–2036 год. А вот восьмибалльного землетрясения стоит ждать не раньше 2739 года. На линии же Анатолия — Эльбрус оно может случиться в любой момент на протяжении ближайших ста лет. Скоро надо ожидать землетрясения силой семь баллов в Иране. Поскольку на линии Крым — Копетдаг сильные землетрясения случались недавно (в 1991 и 2000 году) и по обе стороны Каспийского моря, в ближайшие 40–50 лет там, вероятно, ничего не произойдет.
Та же группа ученых предложила другой метод построения долгосрочного прогноза. Известно, что уровень Каспийского моря с конца XIX века понижался, в конце XX века рос, а в начале XXI опять началось понижение. Этот феномен — следствие взаимодействия древней плиты под дном моря с ее соседями. Сначала плита, сдавленная с запада и востока, выгибается вверх, повышая уровень. Затем происходит субдукция, деформации снимаются и плита опускается. Очевидно, что все это должно сопровождаться землетрясениями, а значит, уровень моря может выступать в качестве индикатора. И действительно, в начале понижения было восьмибалльное Красноводское землетрясение 1895 года. После Иранского землетрясения 1930 года (7,5 баллов) произошло быстрое снижение уровня моря, закончившееся в 1948 году Ашхабадским землетрясением той же силы. После серии из трех событий 1976–1979 года уровень моря стал подниматься, и сильные землетрясения прекратились на 12 лет. Затем — разрушительное Рудбарское землетрясение (1990); уровень начал опять снижаться, а в 2000 году последовало Балханское землетрясение силой 7,5 баллов. Поскольку море так и не поднялось до уровня, предшествовавшего восьмибалльному Красноводскому землетрясению, скорее всего, столь сильного события здесь в ближайший век не случится.
Предвестники
Карта сейсмической опасности позволяет уменьшить ущерб от землетрясения в принципе. Если бы строительные нормы всегда выполнялись, а долгосрочный прогноз всегда был справедлив, то стихийное бедствие обходилось бы без жертв. Однако прогнозы ошибаются, а когда сейсмологи обещают сильное землетрясение в течение ближайших ста лет, у проектировщика возникает вопрос — стоит ли об этом беспокоиться, если здание должно простоять пятьдесят лет. Кроме того, нормы строительства могут не соблюдаться из-за воровства, как это было в Спитаке.
Даже в сейсмоопасных районах есть и ветхие здания, людей из которых нужно эвакуировать в первую очередь, и опасные производства, которые на время стихийного бедствия лучше было бы остановить. Сделать это можно на основании данных краткосрочного прогноза, когда грядущее сейсмическое событие угадывают за несколько дней. Ошибка в таком прогнозе стоит очень дорого: любая эвакуация задевает интересы огромного числа людей и если тревога будет ложной, последует вполне предсказуемая реакция. Но еще хуже, если беда случилась, но мер принято не было. Свежайший пример — события 2011 года на АЭС в Фукусиме: будь реакторы заглушены заранее, катастрофы не случилось бы. Причем ее последствия не исчерпываются радиоактивным загрязнением: авария нанесла сильный удар по всей ядерной энергетике.
Поэтому в первой половине XX века возникло направление геофизических исследований, связанное с поиском предвестников землетрясений и предсказания места и силы толчков за несколько дней или хотя бы часов. Идей о методах поиска таких предвестников было высказано множество, их число уже давно перевалило за сотню.
Самый простой — наблюдение за поведением животных. Его основа — народные рассказы о том, что кошки, собаки, рогатый скот, иногда дикие животные, птицы, рыбы накануне сильного землетрясения начинают вести себя необычно. Предполагается, что животные чувствуют недоступные человеку предвестники события вроде усиливающегося гула Земли или выделения глубинных газов. Но чтобы дать четкие рекомендации населению, необходим большой объем статистики, а для этого нужны длительные систематические наблюдения. Землетрясения же, особенно сильные, случаются нечасто и не по расписанию. В результате сделать поведение животных надежным индикатором сейсмособытий пока не удалось.
Более научным методом представляется наблюдение за состоянием электрического поля планеты. Напряжения, накапливающиеся в блоках земной коры, достаточно мощные для того, чтобы вызвать изменение электрических свойств вещества. Так появляются электрические предвестники землетрясения — аномалии электрических токов в земной коре или в поведении геомагнитного поля.
Гул Земли вследствие разрушения горных пород при активизации очага — еще один предвестник. Например, ученые с Камчатки установили гидрофоны в нескольких озерах полуострова и обнаружили, что в 70% случаев эти приборы за несколько часов до события слышат характерный шум от грядущего землетрясения в радиусе 100–200 км. Один из первых предвестников, на который геофизики обратили внимание еще в конце XIX века, — это поведение грунтовых вод.
Порой наблюдаются эффекты, физический механизм которых непонятен. Вот интересный пример. В 1983 году Л. Н. Рыкунов, член-корреспондент АН СССР, профессор МГУ им. М. В. Ломоносова, инициировал на Камчатке многолетние наблюдения высокочастотного сейсмического шума. Сейчас две такие станции стоят на Камчатке, и по одной — на островах Шикотан и Хоккайдо. Собранная за четверть века информация показала, что незадолго (от одной недели до двух месяцев) до землетрясения силой более шести баллов эти колебания синхронизируются с основной лунной суточной волной прилива. Разница фаз между выделенной из шума приливной компонентой и волной оказывается более или менее постоянной все оставшиеся до землетрясения дни, тогда как обычно она меняется произвольно. А для менее сильных землетрясений никакой связи не выявлено. С 1992 по 2006 год этот предвестник наблюдали для всех 18 землетрясений магнитудой более шести баллов в радиусе 400 км от станции. Лишь одно событие магнитудой семь баллов 8 марта 1999 года нарушило закономерность. Ученым из Камчатского филиала геофизической службы РАН удалось вывести эмпирическую формулу, связывающую магнитуду грядущего события и расстояние до него от места наблюдения. Возможно, в будущем им удастся с помощью нескольких станций более точно предсказывать местонахождение будущего очага и дату его активизации.
В целом же геофизики оценивают работу по краткосрочному прогнозу как весьма далекую от завершения и указывают, что все попытки надежно связать предвестники с грядущими событиями оканчивались неудачами.
Не исключено, что такое печальное положение связано с несовершенством методов измерения и обработки данных. Академик В. Н. Страхов в выступлении, посвященном 80-летнему юбилею Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта в 2008 году, прямо призвал коллег не морочить руководство страны обещаниями дать прогноз землетрясений. По его мнению, для решения этой задачи нужно не только в сотни раз увеличить число сейсмостанций, но и научиться решать системы линейных уравнений с сотнями тысяч переменных, для чего требуются компьютеры и программное обеспечение, которых пока что не существует.
Многие геофизики считают, что прогноз нельзя дать в принципе, поскольку геофизическая среда обладает избыточной энергией и любое слабое воздействие может привести к ее разрядке в виде землетрясения. Вот мнение одного из них, доктора физико-математических наук М. Г. Савина: «Неприменимость классического подхода для описания очага готовящегося землетрясения и оценки его сейсмического потенциала следует уже из факта неповторимой индивидуальности его основных параметров, таких как координаты, глубина, вероятный фокальный механизм и тип подвижки, магнитуда, степень зрелости очага. Поэтому один и тот же предвестник для различных очагов наполняется различным содержанием, что в свою очередь делает ничтожной любую, даже самую изощренную интерпретационную картину. Очаг становится неуловимым: мы гоняемся за ним с сачком, как за бабочкой, а он уплывает от нас глубинной рыбой, на которую нужно ставить сеть. Именно по этой причине становится неприменимой формула: прогноз есть построение устойчивого целого на основании множества неустойчивых компонент. Именно по этой причине мировая сейсмология за более чем вековое существование может похвастаться всего лишь двумя землетрясениями, предсказанными в полном объеме».
Построение сетей
Впрочем, другие ученые уверены, что задача поддается решению. Вот, например, как испанские океанологи из Лаборатории прикладной биоакустики Каталонского политехнического университета хотят использовать гул Земли.
Они возглавляют международный проект LIDO по оснащению подводных обсерваторий в разных уголках Мирового океана акустическими датчиками и организации сбора с помощью Интернета получаемых данных. Обсерватории непрерывно фиксируют как антропогенные звуки, так и природные. В частности, 11 марта в момент землетрясения сеть обнаружила резкий всплеск акустической эмиссии у двух японских подводных обсерваторий близ берега Кусиро и Хацусимы (аудиофайлы, ускоренные в 16 раз, можно найти на сайте лаборатории). Когда подземный гул зафиксируют несколько станций сразу, это позволит определить координаты его источника и, если повезет, дать сигнал хотя бы на срочную эвакуацию людей из домов в опасной местности.
Созданная испанцами система анализа подводных звуков позволяет также следить за поведением китообразных, а те слышат звуки океана гораздо лучше приборов и быстро реагируют на гул Земли, предвещающий землетрясения. Те же данные можно использовать для биологической индикации; для этого нужно лишь накопить достаточную статистику. Во всяком случае, испанские ученые, исследующие перемещения китов, надеются, что эта задача может быть решена (сообщение агентства «AlphaGalileo» от 16 марта 2011 года).
Космическая эра подарила геофизикам новый мощный инструмент — спутниковый мониторинг Земли. Спутники позволяют следить за исходящими от планеты излучениями в разных диапазонах, потоками частиц — нейтронов, электронов, за поведением атмосферы. Глобальные навигационные системы — GPS, «Глонасс» — дают возможность непосредственно измерять движения блоков земной коры, и это одно из основных направлений использования спутниковых систем для анализа землетрясений. При соответствующем финансировании можно было бы оснастить все активные разломы достаточно густой сетью датчиков координат с тем, чтобы обработкой статистики их перемещений выявить корреляцию с силой и датами землетрясений — это повысило бы точность прогнозирования.
Уже сейчас подобными методами измеряют масштабы произошедших сейсмособытий. С помощью данных, полученных от 500 станций слежения, оснащенных датчиками глобальной системы навигации, ученые из потсдамского Исследовательского центра Гельмгольца по геонауке рассчитали, что 11 марта 2011 года Тихоокеанская плита сдвинулась на 27 метров по горизонтали и на 7 метров по вертикали. В результате восточный берег Японии сместился к востоку на 5 метров, и возникло сокрушительное цунами. Всего же с 9 марта (когда произошел первый форшок) по 16 марта у берегов Хонсю случилось 428 землетрясений.
Поскольку точность такого рода измерений зависит от числа станций наблюдения, возникла идея привлечь к изучению движений блоков земной коры обычных граждан. Например, ученые из Калифорнийского университета в Беркли создают Quake-Catcher Network — Сеть охотников за землетрясениями. Компьютер, смартфон или другое электронное устройство, оснащенное встроенным или вставленным в порт USB датчиком движения и датчиком глобальной системы навигации, оказывается неплохим сейсмографом. Собрав же на центральном сервере через Интернет сообщения от множества таких устройств, можно получить весьма точную картину подземных толчков. Датчики движения позволяют фиксировать быстрые перемещения поверхности, датчики навигации — местоположение устройства. Кроме того, когда устройство годами стоит на одном и том же столе, можно составить представление о движении соответствующего блока земной коры. Если бы такая сеть действительно была создана в мировом масштабе (а это вполне реально, благо пользователю участие в ней практически ничего не стоит, а соответствующими датчиками оснащают все больше устройств), геофизики получили бы немало интересных данных. Чем-то эта инициатива соответствует идее Страхова о резком увеличении числа станций для наблюдений за сейсмическими событиями, причем с малыми затратами со стороны государства.
Наблюдения за геофизическими полями Земли из космоса пока не принесли столь ярких результатов, а следить есть за чем. Помимо электрических явлений в районе очага землетрясения увеличивается выделение глубинных газов, прежде всего радона и водорода. Их из космоса заметить сложно — мешает атмосфера. Но есть еще и потоки нейтронов, которые свободно преодолевают ее. Точный нейтронный датчик способен обнаружить неравномерность в интенсивности их потоков над разными участками земной коры, а это надежный предвестник землетрясения. Можно из космоса следить и за изменением состояния ионосферы. Правда, для этого нужно располагать солидной исследовательской группировкой спутников. Но даже при их недостатке (а сейчас за Землей наблюдают лишь два отечественных гражданских спутника: «Метеор-М» и «Ресурс-ДК1»), есть доступ к данным, например, НАСА и ЕКА, благо они и предназначены для свободного использования научными организациями (с некоторыми ограничениями на разрешающую способность изображений).
Попытку создания системы космическо-наземного мониторинга землетрясений предприняли, в частности, специалисты из Научного центра оперативного мониторинга Земли Роскосмоса. В основе их идеи лежит известное представление о том, что геофизическая среда пересыщена энергией и в любой момент может разродиться землетрясением. Поэтому его предвестники — гравитационные аномалии, сказывающиеся на поведении крутильных весов где-либо, на амплитуде колебаний оси Земли (так называемых чандлеровских колебаний полюса), ускорениях или замедлениях вращения Земли, а также аномалии потоков протонов в земной коре, аномалии в электрическом поле Земли — могут проявиться где угодно. Так удается расправиться с проблемой ложных предвестников: эти события, происходящие одновременно, свидетельствуют о готовящемся землетрясении, но случиться оно может неизвестно где. Далее надо ждать мощной вспышки на Солнце и отсчитать от нее две-три недели. Эта вспышка, взаимодействуя с электрическим полем планеты, станет спусковым крючком для созревшего землетрясения. Так получаем дату. А место предстоящего события подскажут облака необычной квадратной формы, время от времени появляющиеся на снимках атмосферы планеты. Их местоположение укажет на очаг, а размер — на мощность.
Посмотрим, как это сработало в случае гаитянского и японского землетрясений. В 2007 году американцы по данным GPS обнаружили аномальное смещение на разломе Энрикильо в районе Карибских островов и пообещали, что в течение нескольких лет на Гаити должно случиться сильное землетрясение. Прогноз подтвердился через два года — 12 января 2010 года землетрясение силой семь баллов унесло жизни более 200 тысяч человек и снесло столицу государства Порт-о-Пренс. Оказывается, наши ученые 25 декабря 2009 года доложили на конференции в ИФЗ РАН о том, что в ближайшее время в районе Калифорнии, Мексики либо на Камчатке случится землетрясение силой 6,9 баллов. Сначала прогноз дали на декабрь (и зафиксировали его в Российском экспертном совете), потом продлили сроки до 18 января. Признаками послужили аномалии колебаний весов Кавендиша 8–9 декабря в Туле, аномалия рентгеновского излучения Земли, зафиксированная 10 декабря спутником НАСА, всплеск напряженности электрического поля Земли и усиление потока протонов, по данным станции в Петропавловске-Камчатском. Затем 9 января обнаружилась аномалия чандлеровской траектории движения полюса Земли, протонного потока в Петропавловске-Камчатском, электронной плотности в ионосфере над Гаити. А 30–31 декабря над Карибской плитой были обнаружены устойчивые облачные аномалии, после чего авторам работы стало ясно, что событие произойдет именно здесь. Кстати, помимо гаитянского землетрясения в указанном районе и в указанное время случилось еще два — 30 декабря в Калифорнийском заливе Мексики (5,9 баллов), а 10 января — у берегов Северной Калифорнии (6,5 баллов).
А что с японским землетрясением 11 марта 2011 года? Двадцатого февраля и 9 марта произошло резкое ускорение вращения Земли, с 3 марта началось аномальное изменение амплитуды чандлеровских колебаний, 7 марта станция в Петропавловске-Камчатском зафиксировала резкий всплеск диффузии протонов. Восемнадцатого февраля на востоке от Хонсю сформировалась характерная облачность, которая предсказывала событие в этом районе с магнитудой 7,3–8,9 баллов. И действительно, 9 марта там случилось землетрясение силой 7,3 балла, которое, к счастью, особых разрушений не вызвало.
В общем-то неудивительно, что специалисты-геофизики весьма прохладно воспринимают сообщения о новых методах прогноза и сами прогнозы. Совсем недавно Центр оперативного мониторинга Земли предсказал сильное землетрясение в Иране в начале мая. Землетрясение случилось, но за тысячи километров — в Казахстане в районе Алма-Аты (1 и 2 мая 2011 года, семь толчков силой 4–5,5 баллов). А в Иране землетрясение силой 5,1 балла произошло только 27 июня.
Видимо, подобного рода методики нуждаются в существенном улучшении, а для практического использования еще не готовы. Легко представить себе состояние государственного служащего в сейсмоопасном районе, на стол которого по нескольку раз в месяц ложатся прогнозы землетрясений, возможных в самое ближайшее время. А журналисты радостно пишут о сбывшихся прогнозах, но игнорируют множество несбывшихся...