Землетрясения и методы их прогноза

Энергию землетрясений можно вычислить, хотя это и сложно. Полученные же цифры показывают, что при землетрясениях выделяется огромное количество энергии, а для катастрофических землетрясений порядка 1025 эргов.

Понятие о магнитуде. Под магнитудой понимается условная величина М, пропорциональная логарифму энергии землетрясения и оцениваемая по расстоянию, на котором данное землетрясение записывается сейсмографами. По этой величине проводят количественную оценку землетрясения. Зависимость магнитуды и балльности землетрясений определяется так: чем больше магнитуда, тем выше балльность. Но здесь большую роль играет глубина очага. Чем глубже располагается очаг, тем меньше балльность землетрясения. Известное максимальное значение магнитуды равно 9. Например, Камчатское землетрясение 1952 г. имело магнитуду 8,5, Ашхабадское землетрясение 1948 г. – 7,3, Спитакское 1986 г. – 6,9 [3].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. География распространения и причины возникновения землетрясений

      Исторические сведения и результаты мониторинга сейсмических событий на земном шаре на протяжении второй половины ХХ в. дают основание выделить области, подверженные наиболее мощным и частым землетрясениям (Рис. 4). Они преимущественно приурочены к двум глобальным активным, характеризующимся молодыми и проявлениями современного вулканизма, поясами.

      Первый – Средиземноморско-Гималайский пояс протягивается от Средиземного региона на восток через Карпаты, горы Малой Азии, Кавказ, Гиндукуш, Гималаи до островов Индонезии. Второй – Тихоокеанский – включает тихоокеанские побережья Северной и Южной Америки, Новую Зеландию, Филиппины, Японию, Курильские острова и Камчатку. Более 80% всех землетрясений приходится на тихоокеанский пояс.

      К сейсмическим областям также относятся континентальные рифы Восточной Африки и Байкала, поднятия Тянь-Шаня и Памира, а в системе Мирового океана – срединно-океанские хребты и глубоководные желоба Тихого океана. В некоторых местах сейсмические явления на суши и океаническом дне обусловлены общим геотектоническим процессом, как это имеет место в зоне островных дуг и глубоководных желобов восточноазиатской окраины Тихого океана[6].

Рис. 4 Области распространения землетрясений[8].

 

      Хотя уже с давних времен ведутся многочисленные исследования, нельзя сказать, что причины возникновения землетрясений полностью изучены. По характеру процессов в их очагах выделяют несколько типов землетрясений, основными из которых являются тектонические, вулканические и техногенные и обвальные.

      Тектонические землетрясения возникают вследствие внезапного снятия напряжения, например, при подвижках по разлому в земной коре (исследования последних лет показывают, что причиной глубоких землетрясений могут быть и фазовые переходы в мантии Земли, происходящие при определенных температурах и давлениях). Иногда глубинные разломы выходят на поверхность. Во время катастрофического землетрясения в Сан-Франциско (Рис. 5) 18 апреля 1906 общая протяженность поверхностных разрывов в зоне разлома Сан-Андреас составила более 430 км, максимальное горизонтальное смещение - 6 м. Максимальная зарегистрированная величина сейсмогенных смещений по разлому 15 м. [4].

                          Рис. 5 Сан-Франциско после землетрясения [11].

 

      Вулканические землетрясения — разновидность землетрясений, при которых землетрясение возникает в результате высокого напряжения в недрах вулкана. Причина таких землетрясений — лава, вулканический газ. Землетрясения этого типа слабы, но продолжаются долго, многократно — недели и месяцы. Тем не менее, опасности для людей этого вида землетрясение не представляет[4]. К вулканическому землетрясению можно отнести землетрясение, сопровождавшее извержение вулкана Бандай-Сан в Японии в 1988 году. Тогда сильнейший взрыв вулканических газов раздробил целую андезитовую гору в 670 метров высоты. Другое вулканическое землетрясение сопровождало, также в Японии, извержение вулкана Саку-Яма в 1914 году.Сильнейшее вулканическое землетрясение сопровождало извержение вулканаКракатау в Индонезии в 1883 году.

(Рис. 6) [14].

Рис. 6 Извержение вулканаКракатау в Индонезии в 1883 году[12].

 

Техногенные землетрясения могут быть вызваны подземными ядерными испытаниями, заполнением водохранилищ, добычей нефти и газа методом нагнетания жидкости в скважины, взрывными работами при добыче полезных ископаемых и пр. Менее сильные землетрясения происходят при обвале сводов пещер или горных выработок[4]. В Индии, 11 декабря 1967 года в районе плотины Койна, возникло землетрясение с магнитудой 6.4, от которого погибло 177 человек. Оно было вызвано заполнением водохранилища. Рядом расположенному городку Койна-Нагар был причинен большой ущерб. Случаи возникновения сильных наведенных землетрясений с магнитудами около шести известны при строительстве Ассуанской плотины в Египте(Рис. 8), плотины Койна в Индии, Кариба в Родезии, ЛейкМид в США [14].

Рис. 8Ассуанская плотина в Египте[14].

      Землетрясения также могут быть вызваны обвалами и большими оползнями. Такие землетрясения называются обвальными, они имеют локальный характер и имеют небольшую силу. В 1974 году со склона хребта Викунаек в Перуанских Андах в долину реки Мантаро (Рис. 9) с высоты почти два километра обрушилось вниз почти полтора миллиарда кубометров горных пород, похоронив под собою 400 человек. Оползень с невероятной силой ударил по дну и противоположному склону долины, сейсмические волны от этого удара были зарегистрированы на удалении почти в три тысячи километров. Сейсмическая энергия удара составила эквивалент землетрясения с магнитудой более пяти по шкале Рихтера[4].

                      Рис. 9 Обвал в Перуанских Андах в 1974 году [13].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 4. Прогноз землетрясений

4.1. 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 [2].

      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 [2].

 

4.2. Виды прогноза

      Различают долгосрочный, среднесрочный и краткосрочный прогнозы.

      Наименее дискуссионным, пожалуй, является долгосрочный прогноз, плавно смыкающийся с задачами районирования [2]. 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 [1].

      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 [1,2].

      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 [1,2].

      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, ученые 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 [1].

 

4.3. Методы прогноза 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 [6].

      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.