Может ли опасное землетрясение стать ручным?

2018-04-25

«Со времен самой глубокой древности история человечества наполнена отголосками воспоминаний о страшных катастрофах. 12 тысяч лет назад, если верить Платону, огромный остров Атлантида за одну ночь погрузился в морскую пучину...

Несколько тысячелетий спустя, между 3000 и 2500 годами до н.э., согласно преданиям, дошедшим до историков Греции, ужасный подземный толчок потряс весь известный в ту эпоху мир - от Малой Азии до Геркулесовых столбов и от Фракии до Египта. В 1900 году до н.э. еще одно исключительное по своей силе землетрясение опустошило Аттику, а море хлынуло на сушу (цунами), и все население погибло при потопе Огига. Через три столетия в результате сильнейшего землетрясения возникло другое цунами, потоп Девкалиона, уничтоживший все население Фессалии...

Вся история Греции, как материковой, так и островной, полна рассказов о грандиозных сейсмических катастрофах. Но кроме этих опустошительных толчков греческая земля сотрясается ежегодно до нескольких сот раз...» - так пишет известный вулканолог Гарун Тазиев.

Это грозное явление природы изучают сейсмологи. Сейсмология - наука молодая, и инструментальные записи едва насчитывают сотню лет. Однако так называемые макроскопические описания сейсмических катастроф уходят в глубокую древность. Китайские каталоги, например, содержат описания землетрясений начиная с 1 тысячелетия до н. э.

Причина землетрясения - разрыв масс земли под действием постепенно накопившихся тектонических напряжений. Поверхность земли трясется под действием сейсмических волн, несущих из очага - области возникновения подземного удара - с космическими скоростями огромную упругую энергию. Самые быстрые из них распространяются в поверхностных слоях Земли со скоростью от 5 до 8 км/сек. Двуединая роль сейсмических волн от землетрясения отмечалась создателем отечественной сейсмологии академиком Б.Голицыным. Это - испепеляющий «факел» (при большой энергии, малой глубине и близости к населенным пунктам) и «фонарь», освещающий недра на пути пробега волн (и сам очаг, когда он не столь разрушительно энергичен).

В сейсмическом режиме планеты, подобно метеорологии, можно говорить о долговременных средних закономерностях – «сейсмическом климате» и о быстро меняющейся «сейсмической погоде», капризы которой наиболее чувствительны для сегодняшних нужд людей (но как раз и труднее предсказуемы).

Развившаяся в недавнее время палеосейсмология имеет данные в пользу того, что сейсмический «климат» в последнее тысячелетие ухудшается - человеческая цивилизация стоит перед лицом усиления сейсмической активности Земли.

Да и «погода» тоже не блещет. Вспомнить хотя бы 1976 год. Он оказался и «сейсмически високосным». Началось в феврале, в Гватемале - 4 часа не стихали изнурительные семибалльные толчки, разрушившие сотни тысяч домов и лишившие крова пятую часть населения страны. А затем майским сейсмическим громом грянули толчки во Фриули (Италия) и Газли (Средняя Азия). И лето стало «невтерпеж» сейсмически жарким: в конце июня тряслась Новая Гвинея, в середине июля - остров Бали, в конце июля - Китай, в августе цунами смыло тысячи домов на южном побережье Филиппин. А в конце ноября землетрясение, сильнейшее в Турции за последние полвека, унесло 8 тысяч человеческих жизней. В марте 1977 года «неровное дыхание Земли» почувствовали москвичи. Почти минуту покачивались на верхних этажах домов люстры, звенела посуда. В эпицентре - Карпаты - удар был девятибалльный, в Бухаресте много разрушений. Из-за того, что очаг простирался за 100 км в глубину, он ощущался за 2000 км.

В наш век развития технологии и науки люди Земли взывают о спасении от слепых сил природы к сейсмологам: поймите, предупредите, предотвратите!..

Прогноз землетрясений сегодня - стержень, объединяющий чаяния специалистов, проводящих фундаментальные исследования многих ветвей геофизики. Ведущую роль в этих исследованиях ранее играл Институт физики Земли (ИФЗ АН СССР) во главе с академиком М.Садовским. Специалисты координировали прогнозные исследования по сейсмологии. Сегодня ученые не сомневаются в том, что землетрясения можно предсказывать. Такие надежды создает новое понимание механизма очага землетрясения, попытки успешно воспроизводить развитие очага теоретически и на лабораторных моделях. Если искать ключевое слово для очага землетрясения, то следует выбрать слово «трещина».

Подготовка землетрясения проходит разные стадии. В период длительного накопления напряжений в зоне будущего очага образуется система произвольно расположенных трещин. Затем в относительно короткий переходный период трещины начинают ориентироваться в одном направлении и стягиваться в одну, к будущему магистральному разрыву. Перед главным ударом темп нарастания трещин замедляется, материал размягчается, и напряжения частично сбрасываются, хотя и не до исходного уровня. Эти короткие предстартовые события в развитии очага сопровождаются характерными изменениями физических свойств среды в зоне будущего разрыва - их можно зафиксировать чуткими приборами. И вот наступает момент землетрясения - блоки по обе стороны от генеральной трещины отрываются и начинают скользить друг относительно друга. Накопленная веками потенциальная энергия переходит в энергию упругих сейсмических волн.

Например, в Газли в 1976 году трещина вспорола блок размером 30-50 км, а подготовка толчка шла по территории, раз в 10 большей. В то время как в возмущенной трещиноватой зоне напряжение незадолго до толчка падает, во внешней зоне оно растет - меняются скорости пробега сейсмических волн.

Замечательное подтверждение правильности математической модели, да притом в цвете, было получено на фотохимических лабораторных моделях. Признаки землетрясения в окружающей среде появляются загодя, за год и даже ранее, а в зоне трещин - за сутки, за несколько часов - таким образом есть также и физическая основа для предсказания землетрясений, их прогноза.

Около трехсот тысяч землетрясений происходит на планете в год (точнее, столько фиксируется сейсмографами для определения координат и параметров очага). Если представить эпицентры землетрясений светящимися лампочками и взглянуть на Землю извне, то легко заметить, что огоньки мелькают не беспорядочно. Во-первых, сильных вспышек мало, а слабых - чем слабее, тем больше. Во-вторых, огоньки располагаются «гирляндами», обрамляя огромные блоки коры и верхней мантии - литосферные плиты. Внутри плит землетрясений бывает немного, Земля трещит и рвется на их стыках.

В местах сдвигания плит планетотрясения самые энергичные. Континентальные глыбы «упираются лбами» на Памире и Тянь-Шане - здесь произошли разрушительные Ашхабадское (1948) и Хаитское (1949) землетрясения. В поясе Камчатка - Курилы - Япония океаническая плита «ныряет» под континентальную, очаги погружаются в сторону Азии почти до 700 км. Другая «гирлянда» сотрясений - зона сочленения Американской и Тихоокеанской плит. В ее истории - катастрофы в Сан-Франциско (1906), Чили (1960), Перу (1979). В районах срединных океанических хребтов, где плиты раздвигаются, характер землетрясений иной - очаги мелкофокусные и толчки слабые.

Разрывы поверхностного слоя и разрушения, вызванные землетрясениями, располагаются концентрическими кругами вокруг эпицентра, ослабевая по мере удаления от него. Эффект землетрясения на поверхности измеряется в баллах. Один балл чувствуют лишь приборы и некоторые животные, 3 балла - отдельные жители, при 5 - пробуждаются спящие, 7-балльное сотрясение разрушает обычные дома, 9-бальное - хорошо построенные (но без специальных антисейсмических приемов) дома, при 12 баллах разверзается трещинами и ходит волнами земля, рушатся горы.

Эффект землетрясения на поверхности зависит прежде всего от энергии в очаге, которая измеряется в условных безразмерных единицах - магнитудах. Увеличение магнитуды на 1 соответствует росту энергии в очаге в 30 раз. При магнитуде 5 (соответвующая энергии в очаге порядка 10¹⁸ эрг) в глубине очага 10 км эффект на поверхности соответствует 7 баллам. Увеличение магнитуды на единицу повышает эффект на 1 балл. Углубление очага в 2 раза уменьшает силу толчка на 1 балл. На Земле не зафиксировано землетрясений с магнитудой более 10 баллов. Подобным было, например, Лиссабонское землетрясение 1755 года, описанное Вольтером в повести «Кандид» и «Балладе о гибели Лиссабона».

Заложенная в очаге разрушительная энергия реализуется в той или иной степени также в зависимости от удаленности населенного пункта, характера грунта, типа строения. Так, в Марокко в 1960 году слабое землетрясение привело к гибели 15 тыс. человек, так как очаг был неглубоким (2 км), а здания построены из глины. Подобным примером может служить и Спитакское (Ленинаканское) землетрясение, произошедшее в Армении в 1988 году. Сила толчков тогда достигала 9 баллов (глубина гипоцентра - 10 км). В результате землетрясения погибло, по меньшей мере, 25 тысяч человек (по другим данным — до 150 тысяч), 19 тысяч стали инвалидами, 514 тысяч человек остались без крова.

Столь же слабое сотрясение в Ташкенте в 1966 году было мелкофокусным и угодило в центр города. В трех километрах от эпицентра толчки были безопасными, а в центре здания старой постройки рухнули или пришли в негодность.

Глубокий очаг воздействует на большую территорию. Во время Ашхабадского землетрясения гипоцентр располагался в 60 км от города, но энергия толчка была большой (магнитуда 7,3), размер вспоротой трещины - несколько десятков километров. Практически весь город был разрушен. Сейчас на старом месте выросла новая столица, современным зданиям с железобетонными каркасами не страшны 10-балльные толчки.

Предсказание места землетрясения, его силы и времени входит в понятие прогноза землетрясений. Первые задачи довольно успешно решаются. Способствует этому то обстоятельство, что землетрясения происходят в местах интенсивной геологической деятельности, там, где трутся плиты, образуются горы, извергаются вулканы. Это потому, что землетрясение и геологическая активность - разные стороны одной «медали» - геодинамических процессов, протекающих в недрах Земли. По землетрясениям прошлого устанавливаются сопутствующие им геологические признаки и по сходным признакам намечаются сеисмоопасные зоны. Для таких зон в нашей стране, как Памиро-Тянь-Шаньская, Курило-Камчатская и другие, составлены карты максимальной балльности, похожие на географические карты почв и климата, - карты «сейсмического климата». Сегодня сейсмологи отмечают на карте не только балл, но и вероятность толчка той или иной силы, не только точки эпицентров, но и очаговые зоны. В зависимости от величины прогнозируемых толчков устанавливаются нормы сейсмостойкого строительства. Опаснее всего «занизить» балл, не подготовиться к сильному толчку, но и завышение грозит неприятностями - огромные усилия и средства «вылетят в трубу».

Трудность состоит в том, что признаков набирается слишком много и распутать этот клубок непросто. Поэтому бывают неудачи: 10-балльное землетрясение в Газли в мае 1976 года произошло в районе, который по существующим картам относился к 6-7-балльной зоне, хотя многие сейсмологи требовали повысить балл.

Человечеству небезразлично, когда именно произойдет толчок - нужен прогноз «сейсмической погоды». И здесь, как и в метеорологии, он делится на долгосрочный и краткосрочный. Долгосрочный прогноз касается самых сильных и катастрофических землетрясений, которые происходят сравнительно редко, лет через 70-100. За результаты долгосрочного прогноза сейсмологи несут ответственность перед внуками, прогноз влияет на перспективное строительство, освоение новых территорий.

Сейсмологи Камчатки подметили такую закономерность: эпицентры самых сильных землетрясений подобно мозаике заполняют картину фокальной зоны (область распространения очагов землетрясения) - очередная катастрофа не может быть там, где она была несколько лет назад, эпицентр обязательно заполнит пустующее место. Похожая закономерность выявлена для Кавказа. И в сейсмоактивной зоне разлома Сан-Андреас сейсмологи и жители пребывают в небезосновательной тревоге, ведь предыдущая катастрофа в Сан-Франциско, «омолодившая» разлом, была более 70 лет назад.

Землетрясения послабее происходят чаще, их подготовку «засекают» многолетними и даже многомесячными полевыми наблюдениями. Существующий на сегодня «сейсмический набор» включает с десяток прогнозных предвестников землетрясений: затишье перед сильным толчком, форшоки (слабые предварительные толчки) выше среднего фона, изменение скоростей и амплитуд волн, ориентация осей сжатия-растяжения, изменение скорости деформации и знака движения, изменение напряженности магнитного поля, силы тока в земле и в атмосфере, содержания радиоактивного родона в гидрологических скважинах. Трудно сказать, какой из признаков важнее. Поэтому стоит задача - научиться предсказывать по совокупности признаков.

Много лет назад сейсмологи, работавшие на Памире, заметили, что в зоне некоторых слабых очагов землетрясения вдруг на 3-5% меняется отношение скоростей двух типов сейсмических волн - продольных и поперечных. И как раз там вскоре происходит сильный толчок, причем непосредственно перед ним восстанавливается «нормальное» отношение скоростей. Сейсмологи из Гарма рассказали об этом эффекте американским коллегам. И начались кропотливые параллельные исследования в горах Памира и на крыльях разлома Сан-Андреас. В лабораториях изучались физические свойства сжатых и нагретых образцов, рассчитывали поведение теоретических моделей очага.

И вот найдено объяснение наблюдаемых эффектов. Трещины-пустоты, которые возникают в зоне будущего очага под действием растущих напряжений, замедляют пробег волн сжатия, но остаются «незамеченными» для сдвиговых колебаний. Воздух, проникающий в пустоты, увеличивает электрическое сопротивление пород, и это уже неоднократно отмечалось, когда МГД-генератор посылал в земную кору мощные импульсы тока. Трещины увеличивают площадь, омываемую водой, она поглощает больше радиоактивного газа радона. Вот почему гидрологи заметили скачок его концентрации перед Ташкентским землетрясением 1966 года. Этот предвестник потом неоднократно «срабатывал» в Дагестане и других районах.

По мере роста давления в хаосе трещин начинает проявляться будущий шов, который вспарывает горный массив стремительным рывком в момент главного толчка. И если к тому же в трещины-заготовки попадает вода, то появляется «смазка», облегчающая скольжение блоков вдоль разрыва. Не везде дело обстоит так, но там, где срабатывает такой механизм, землетрясения удалось предвосхитить.

Изменение напряженности магнитного поля на 2-3 гаммы, знака движения на деформографе, появление форшоков за неделю и три дня, изменение электрического сопротивления позволили сейсмологам предупредить население Гарма о толчках 3 и 5 сентября 1976 года. Были приняты меры безопасности, люди выведены из домов, подготовлены стройматериалы для ремонта. Землетрясения были слабыми (магнитуда 5 с небольшим), они не принесли особых хлопот жителям, но до сих пор будоражат умы ученых - забрезжил реальной надеждой прежде казавшийся миражом Прогноз Землетрясений.

Однако в целом проблема еще далека от решения. Признаков приближающейся сейсмической катастрофы уже немало, но не всегда ясно, какие из них наиболее надежные, нет признаков со стопроцентной гарантией.

Далеко не ясен вопрос о связи с землетрясениями электромагнитных явлений в атмосфере и ионосфере, а она существует.

Много загадочного и в биологических предвестниках. Элементом прогноза в известной мере служит сейсмическое районирование, позволяющее указать районы максимальной силы и средней частоты повторяемости землетрясений. Для этого проводится анализ данных всех сейсмических станций о положении эпицентров, глубине очагов, магнитудах, интенсивности регистрируемых землетрясений, а также выявляется приуроченность их к тем или иным геологическим структурам и областям проявления интенсивных, новейших тектонических движений. Координирует деятельность национальных служб международная сейсмическая служба, штаб-квартира которой - сейсмологический центр - находится в Великобритании.

Успешное предсказание землетрясений может стать возможным только в результате объединения различных методов сейсмологии и различных наук, таких, как статистика, метеорология и даже астрофизика.

И наконец, резонно развить проблему прогноза дальше, начинать думать об изменении режима землетрясений, об их предотвращении. На мысль об «управлении» землетрясением ученых натолкнул случай. Несколько десятилетний назад в районе города Денвера (штат Колорадо, США) и без того подверженного подземным толчкам заметили, что их число возросло, когда в глубокие скважины закачивали для захоронения отходы химического производства. Заинтригованные геофизики провели подобные опыты на соседнем нефтяном месторождении. Едва закачали воду в четыре глубокие скважины, начались и не прекращались полгода слабые подземные толчки, но стоило откачать воду, уменьшить напряжения в зоне гипоцентров, как толчки прекратились.

Однако человек вряд ли способен изменить сейсмический режим планеты Земля в целом. Энергия всей человеческой техники значительно меньше сейсмической, которой выделяется в год порядка 10²⁵ эрг.

Что касается инженерного воздействия на отдельные землетрясения и районы, то оно может и будет проводиться с успехом лишь там, где район «готов» к землетрясению, где напряжения достаточной величины уже накоплены Землей, так что требуется лишь последняя капля, чтобы переполнилась чаша ее «сейсмического терпения». Известно, что ранее в СССР и США разрабатывались проекты, предусматривающие провокацию серий слабых сотрясений вместо одного разрушительного с помощью подземных взрывов и закачки воды в скважины.

Может быть, не за горами тот день, когда люди подчинят себе стихию некоторых землетрясений, сумеют «разменять» их грозную силу на безобидные «щелчки». Но пока Земля дрожит. И список землетрясений продолжает расти. Там уже давно вписано событие 20 апреля 2013 года, когда мощные толчки разрушительной силы нарушили покой жителей Поднебесной.