Предсказание землетрясений, Землетрясение

Предсказание землетрясений. Кассандра. …Ты насмерть поразил меня на этот раз! Хор. Ей видится судьба ее несчастная… Давно известен нам твой дар пророческий, Но здесь уже пророкам делать нечего. Астрономы умеют предсказывать затмения и некоторые другие эффектные небесные явления с большой точностью, благодаря чему люди относятся с уважением и к другим, более сомнительным астрономическим гипотезам. Предсказания метеорологов менее надежны, но тем не менее пользуются известной мерой доверия. Сейсмологов, которые не занимаются прогнозами землетрясений, часто упрекают в пренебрежении к этой важной задаче, а если они пытаются возражать, ссылаясь на то, что это не входит в круг их обязанностей, у большинства людей все же не остается сомнения в том, что составление прогнозов должно быть возложено на сейсмологов. На первый взгляд может показаться, что прогноз землетрясений должен достигнуть астрономической точности для того, чтобы он мог принести практическую пользу. Какую, например, ценность может иметь предсказание, что в Калифорнии 5 ноября произойдет землетрясение или что в Маниле следует ожидать сильное землетрясение в течение нескольких ближайших лет? Ведь даже в том случае, если эти предсказания правильны, они не могут служить основанием для принятия каких-либо практических мер. Нельзя ведь в самом деле эвакуировать все население Калифорнии или хотя бы приостановить всю деловую жизнь. После катастрофического Новозеландского землетрясения в Хокс-Бей в 1931 г., когда погибло более 250 жителей в городах Напьер и Хейстингс, местный пророк заявил, что он правильно предсказал это землетрясение. В действительности же эпицентр землетрясения был указан им много южнее Хокс-Бей в Уайрарапе, но какое значение могут иметь лишних 150 км для решительного прорицателя. Однако, если бы власти поверили его предупреждению, весьма возможно, что жители Мастертауна, главного города Уайрарапы, были бы эвакуированы в Напьер или Хейстингс, увеличив тем самым число жертв.

Прогноз землетрясений должен включать указания о месте, времени и интенсивности сейсмического толчка, притом с высокой степенью точности, или по крайней мере содержать оценку достоверности сделанного предсказания, так как в противном случае он может принести больше вреда, чем пользы. Однако не только предсказания пророков могут поставить в тупик гражданские власти. Совсем недавно один английский академик (не сейсмолог) пришел к выводу, что он нашел верный способ предсказывать землетрясения и решил сообщить об этом в прессе, прибавив, что он ожидает сильное землетрясение в Новой Зеландии. Британские репортеры поспешили передать эту новость по телеграфу в Новую Зеландию. К счастью, их новозеландские коллеги, прежде чем опубликовать это сообщение, обратились за консультацией к экспертам, так что панику удалось предотвратить. Предсказание отдельного землетрясения, даже если оно отвечает действительности, может принести жителям лишь дополнительные осложнения, если здания запроектированы без достаточно надежных антисейсмических мероприятий.

Кое-что можно, конечно, сделать для уменьшения числа жертв, не сознание надвигающейся катастрофы внесет серьезные нарушения в социальную и экономическую жизнь города. Это еще хуже, чем угрожающие предсказания фальшивых пророков. К счастью существует один очень полезный вид прогнозов. Так, утверждение, что «данный мост в течение ближайших 100 лет должен будет выдержать 10 толчков интенсивностью семь баллов» весьма ценно для инженеров-проектировщиков. Сейсмологи сосредоточили свое внимание на том, чтобы включить подобного рода указания в действующие строительные нормативы и материалы по сейсмическому районированию территорий, но это не означает, что они отказались от попыток давать более точные прогнозы. Когда-то сейсмологи потратили немало трудов на то, чтобы установить периодичность, с которой происходят землетрясения.

После того, как была разработана теория упругой отдачи, стало ясно, что накопление энергии, вызывающее сейсмический толчок — это длительный процесс и нужно попытаться найти тот «спусковой механизм», который определяет во времени момент высвобождения накопленной энергии. Если такого механизма не существует, возможность точного предсказания землетрясений становится весьма проблематичной. Для этого необходимо знать точные размеры сейсмогенерирующего разлома, прочность вмещающих пород, шероховатость стенок разлома, силу, с которой они прижаты друг к другу и множество других количественных характеристик, которые практически определить невозможно. Только в этом случае можно было бы надеяться получить оценку величины напряжения, необходимого для начала смещения. Гораздо проще выявить накопление деформаций.

Регулярные наблюдения, повторяемые через определенные интервалы времени, могут показать, претерпел ли исследуемый участок поверхности какие-либо деформации или нет. С тех пор как радиолокационные устройства для точного измерения расстояний вытеснили старые методы триангуляции (рис. 96), решение этой задачи существенно упростилось. На рис. 97 изображен лазерный дальномер-геодиметр, являющийся одним из точных инструментов для измерения расстояний между пунктами, расположенными на сторонах региона, испытывающего деформацию. Сейчас такие наблюдения ведутся в Калифорнии, Японии и Новой Зеландии. Как сказал японский сейсмолог Суехиро на съезде американских инженеров много лет назад, «нет смысла беспокоиться о том, будет ли спущен курок, если Вы не знаете, заряжено ли ружье, в особенности если учесть, что ружье — это землетрясение и оно произойдет независимо от того, существует курок или нет, в тот момент, когда заряд достигнет достаточно большой величины». Триангуляционная сеть вдоль разлома Веллингтон. Среди всех возможных спусковых механизмов наиболее вероятным всегда считалось изменение давления. Сюда относятся нагрузки от приливов и колебания в величине многих метеорологических факторов.

Некоторые исследователи обращались даже к влиянию соседних планет, но оно по своей величине заметно уступает другим действующим силам и едва ли может иметь решающее значение. Следует, однако, учитывать, что если землетрясение подготовлено, то даже самый незначительный внешний толчок может привести к разрядке накопившихся напряжений. Признаки, указывающие на наличие «спускового механизма», возможно, следует искать при наблюдениях за сериями афтершоков или роями землетрясений, когда условия для очередного толчка более благоприятны, чем обычно. Например, Р. С. Хейес установил, что афтершоки землетрясения в прол. Кука обнаруживали тенденцию учащаться, когда спадал прилив или барометр стоял ниже обычного. Аналогичные наблюдения были проведены в Японии. Сообщалось также, что в Гималаях и в бассейне Миссисипи частота слабых толчков связана с ходом речных паводков.

При этом резкие изменения в режиме паводка сопровождаются роями слабых толчков. Д-р Т. X. Хитон из Калифорнийского технологического института указывает, что, возможно, главную роль играет соотношение скоростей действия «спускового механизма» и изменения величины тектонических напряжений. Гравитационные силы Луны и Солнца влияют не только на воду в океанах, но также на твердую оболочку Земли, вызывая приливные явления, которые могут изменить ее радиус примерно на 40 см. При этом развиваются упругие деформации, изменяющиеся по величине гораздо быстрее, чем медленно накапливающиеся тектонические деформации, высвобождающиеся при землетрясениях. Смогут ли приливные явления сыграть роль «спускового механизма», зависит от характера смещений по разломам.

Он изучил 107 толчков, для которых характер смещений был известен, и установил, что сильные коровые землетрясения могли быть вызваны приливными силами только в том случае, если смещения по разломам имели вертикальное или диагональное направление, но не горизонтальное. Такой результат дал математический анализ. Не могут быть вызваны приливными явлениями глубокофокусные землетрясения, а также землетрясения с М 4, так как в последнем случае скорость изменения других факторов, принимающих участие в этом процессе, оказалась бы больше, чем «спускового механизма». Пока не было возможности проверить справедливость этих предположений. В большинстве стран сложились определенные представления о погоде, «сопутствующей землетрясениям». В своей книге «Французская революция» Карлейль замечает, что «надежда ведет революцию, подобно тому, как землетрясению предшествует ясная погода», однако большинство английских авторов, и среди них Шекспир, рисуют землетрясение как кульминационный момент бури: Леннокс. Какая буря бушевала ночью! Снесло трубу над комнатою нашей … …И говорят, как в лихорадке, Макбет. Да, ночь была тревожной. Леннокс. За весь свой краткий век не помню ночи, Японцы считают, что с землетрясениями связана жаркая и влажная погода. Омори изучил погодные условия, сопутствующие 18 главным японским землетрясениям за период более чем 530 лет и обнаружил, что 12 из них произошло в хорошую погоду, 2 — в облачные дни и 4 — в дождливые. Однако эти данные говорят скорее о японском климате, чем о землетрясениях. Проведению спасательных работ после новозеландского землетрясения Хокс-Бей в 1931 г. в немалой степени способствовал необычайно длительный период хорошей погоды, однако Мерчисонское землетрясение двумя годами раньше произошло в столь же аномальный период дождей и штормов. Местный фольклор связывает с землетрясениями жаркую и тихую погоду. Известны случаи, когда резкие изменения атмосферного давления, связанные с прохождением метеорологических фронтов, совпадали с местными землетрясениями. Рихтер отмечает, что в Калифорнии слабые сейсмические толчки усиливаются в начале сезона дождей, когда происходит перемещение мощных воздушных масс и перераспределение нагрузок на поверхность земли. Если изменения давления действительно играют столь важную роль в возникновении землетрясений, можно было бы ожидать, что это особенно заметно скажется на подводных сей­смических толчках, поскольку изменения давления на дне моря во время приливов и отливов примерно в 10 раз больше, чем изменения давления воздуха на суше. Однако ничего подобного не наблюдается. Широко известно, что резкое увеличение числа слабых толчков возвещает о приближении сильного землетрясения, однако в действительности, это скорее исключение, чем правило. Кроме тех случаев, когда толчки предшествуют извержению вулкана, число форшоков редко превышает 2, при этом их трудно отличить от нормальной слабой сейсмической активности до того момента, пока не произошло главное землетрясение. По наблюдениям японских сейсмологов, многим сильным землетрясениям предшествовали аномальные наклоны земной поверхности. Для более детального исследования этого явления были применены специальные наклономеры, которые, хотя и зарегистрировали ряд подобных случаев, но четкой картины все же не дали. Наиболее многообещающие работы по предсказанию землетрясений выполнены в Средней Азии. Советские ученые уже в течение многих лет проводят такие исследования в районе Гарма в Таджикистане. В 1962 г. Кондратенко и Нерсесов обратили внимание на закономерное изменение скорости сейсмических волн при прохождении их через район, где ожидалось землетрясение. В обычных условиях отношение скоростей Р и S-волн для большинства типов пород примерно одинаково: скорость Р-волн в 1,77 раза больше скорости S-волн. Однако, если породы находятся в напряженном состоянии, это отношение уменьшается и в момент разрыва падает примерно до 1,5. Советские ученые вели наблюдения за скоростями упругих волн от слабых сейсмических толчков, которые постоянно наблюдаются в этом районе, и обнаружили, что перед сильным землетрясением они становятся аномальными. Соотношение скоростей падает и остается низким в течение довольно длительного периода, предшествующего землетрясению, но непосредственно перед толчком оно возвращается к своему первоначальному значению. Сила землетрясения зависит от длительности периода, в течение которого наблюдалась аномалия (рис. 98). Предупреждающие изменения скорости. Первая проблема, с которой приходится сталкиваться при использовании этого эффекта для прогноза землетрясений, связана с тем, что размер района, в пределах которого обнаруживается аномалия, даже в случае сильного толчка невелик — первые десятки километров. Для обнаружения этого явления были испробованы разные методы. Один из них был изобретен японским сейсмологом Вадати и требует установки 12 или более сейсмографов на одном профиле. Если S—Р-интервал для каждой станции нанести на график в зависимости от времени вступления Р-волны, точки лягут на прямую, наклон которой характеризует соотношение скоростей. Другой способ, опробованный в Новой Зеландии и США, основан на записи вступлений Р-волн от отдельных сейсмических толчков на станциях, находящихся в пределах предполагаемого района аномальных скоростей. Если район находится в напряженном состоянии, волны будут фиксироваться в первом вступлении позже, чем следовало бы из таблиц времени пробега. Пока что большинство аномалий было обнаружено после землетрясений. Сейсмологи просматривали записи, с тем чтобы выявить эпицентры землетрясений, расположенные вблизи сейсмостанций, и обнаружили, что толчкам предшествовали аномалии. В Новой Зеландии аномалия наблюдалась перед Гисборнским землетрясением 1966 г.; в Калифорнии скорость Р-волн начала падать за 3,5 года до землетрясения Сан-Фернандо в 1971 г. Как советские, так и американские сейсмологи с тем или иным успехом пользовались этим методом, однако предсказанные толчки имели небольшую силу. До сих пор наилучшую оправдываемость имело предсказание землетрясения с М 7,3 в провинции Ляонин (Китай) в начале 1975 г. (рис. 99). Сообщается, что китайские власти учли сделанный прогноз и предложили жителям города временно покинуть свои дома для того, чтобы посмотреть кино на открытом воздухе. Большая часть жителей приняла это предложение, и хотя множество домов было разрушено, число жертв оказалось небольшим. Зтр произошло незадолго до появления первой работы советских сейсмологов, привлекшей всеобщее внимание. После появления этой работы в первую очередь предстояло выяснить, наблюдаются ли подобные изменения скоростей в других районах земного шара или они связаны с какими-либо местными геологическими особенностями района Гарма. Если анализ покажет, что это не локальный эффект, неизбежно возникнет второй вопрос: чем эти изменения могут быть вызваны? Если еще можно как-то понять причину уменьшения скоростей, то гораздо труднее объяснить возвращение их к нормальной величине, а именно это является наиболее важным индикатором для установления момента начала землетрясения. Ляонинское землетрясение 1975 г. Наиболее общий ответ на эти вопросы дал в 1972 г. Э. Hyp из Станфордского университета, предположивший, что в основе этого явления лежит дилатансия. Дилатансия— интересный феномен с интересной историей. Она была открыта достаточно давно (в 1886 г.) Осборном Рейнольдсом — английским физиком, занимавшимся поисками свойств эфира — гипотетической субстанции, которая, как в те времена думали, обеспечивает передачу световых и радиоволн. Вместо этого он случайно натолкнулся на общее свойство почти всех зернистых сред, таких, как песок или другие скопления частиц. В 1972 г. немногие сейсмологи слышали о дилатансии, хотя это явление было знакомо инженерам, работающим в области механики грунтов. В 1965 г. д-р Ф. С. Франк опубликовал в американском журнале статью, в которой обращал внимание на возможное участие дилатансии в механизме возникновения землетрясений. Что же такое дилатансия? Представим себе, что зерна в породе тесно упакованы, а мы стремимся сжать их еще больше. При этом направление приложенной силы может быть любым, но зерна будут смещаться в стороны, стремясь занять наиболее устойчивое положение. Если они упакованы предельно плотно, единственная возможность изменения формы— это расширение и увеличение объема. Странно, что при этом происходит упрочнение породы, возможно, вследствие роста напряжений на контактах между зернами. Таким образом создаются условия для увеличения упругих деформаций породы, прежде чем она будет окончательно разрушена. Сложности возникают в тех случаях, когда поры материала, подвергающегося дилатансии, заполнены жидкостью. Это отвечает условиям, господствующим в недрах Земли. На небольших глубинах присутствуют подземные воды, а ниже располагается магма, которая может проникать в поры твердой Породы. Когда внешнее давление приводит к дилатансии, происходит увеличение порового пространства, но в этом случае причиной является скорее появление мелких трещин, чем перемещение твердых частиц. Поскольку объем порового пространства растет, давление жидкости падает, оставаясь постоянным за пределами области дилатансии. Это вызывает подток жидкости к участку дилатансии, который продолжается до тех пор, пока давление не выравняется, что приводит к потере породой повышенной прочности. В момент, когда давление жидкости падает, происходит снижение скорости Р-волн, а когда оно восстанавливается — возвращение ее к нормальной величине. Теперь можно описать процесс упругой отдачи более обстоятельно. Когда региональные тектонические напряжения достигают предела прочности пород, в них начинают формироваться тончайшие трещины и породы испытывают дилатансию. В этом состоянии они могут выдержать более высокие напряжения, но по мере подтока жидкости к участку дилатансии прочность их снова падает. Поскольку деформации уже превысили нормальную величину, потеря прочности приводит к разрушению породы (рис. 100). Дилатансия и механизм землетрясения. Если теория дилатансии, объясняющая механизм возникновения землетрясений, правильна, постановка наблюдений за скоростью Р-волн или изменением отношения скоростей S и Р-волн может явиться не единственным способом установления критического состояния. Появляется, в частности, возможность выявить некоторые общие закономерности в казавшихся ранее необъяснимыми воздыманиях и наклонах земной поверхности, о которых сообщали японские сейсмологи. Кроме того, наблюдения за режимом грунтовых вод могут оказаться более простыми, чем обычные сейсмологические измерения. Один из методов, который советские ученые считают многообещающим, состоит в измерении электросопротивления пород между электродами, забитыми в грунт на расстоянии нескольких километров друг от друга. Поскольку электропроводность зависит в основном от содержания жидкости в порах пород, можно ожидать, что дилатансия будет сопровождаться увеличением их электросопротивления. Изменяя расстояние между электродами и силу тока, можно исследовать породы на разных глубинах. Менее очевидный метод, использовавшийся в Гармском районе, основан на том, что все породы в той или иной степени радиоактивны. Когда происходит раскрытие трещин, площадь контактов породы с подземными водами увеличивается, и в силу этого должна расти и концентрация растворенного в воде родона. Эти изменения можно зафиксировать, отбирая пробы воды из глубоких скважин и определяя содержание родона счетчиком Гейгера в лаборатории. В ближайшем будущем должны быть разработаны и другие надежные методы исследования регионов, находящихся в состоянии дилатансии. Если эти методы оправдают возлагаемые на них надежды, предупреждение о землетрясении будет осуществляться в две стадии. Первый сигнал тревоги должен даваться в тот момент, когда район оказался в условиях дилатансии, т. е. задолго до возникновения сильного землетрясения. Чем дольше длится период подготовки, тем сильнее должно быть ожидаемое землетрясение, но его сила зависит также от прочности пород и скорости накопления деформаций. Эти параметры должны устанавливаться для каждого региона отдельно, однако представляется вероятным, что о толчке с М 7 предупреждение может быть сделано по меньшей мере за год до землетрясения. Период опасности, оповещаемый вторым сигналом тревоги, наступает в тот момент, когда аномалия исчезает и отношение скоростей Р- и 5-волн возвращается к своей нормальной величине. Ход этого процесса во времени зависит от пористости пород и наличия жидкости. Очевидно, он должен быть различным в разных регионах, а местами может меняться также в зависимости от времени года. Второе предупреждение может поступить всего за несколько дней до сейсмического толчка, но и этот срок достаточен для того, чтобы сигнал тревоги оказался полезным. Проф. Ф. Ф. Эвисон установил последовательность событий, предшествовавших нескольким сильным землетрясениям в Новой Зеландии и Калифорнии. Во-первых, это тесно сгруппированная серия толчков примерно равной магнитуды, которую он назвал «предваряющим роем». За ним следует период, названный им «предваряющим перерывом», в течение которого нигде в окрестностях сейсмических толчков не наблюдается. Затем следует «главное землетрясение», сила которого зависит от величины роя землетрясений и продолжительности перерыва. Предполагается, что рой вызывается раскрытием трещин и сигнализирует о начале дилатансии, а перерыв длится в течение дилатантного периода. Возможность прогнозирования землетрясений на основе этих представлений очевидна, однако имеются определенные трудности в выделении предваряющих роев из других сходных по характеру групповых землетрясений, и пока каких-либо бесспорных успехов в этой области не достигнуто. Сообщения об уменьшении числа слабых толчков в период, предшествующий главному землетрясению, поступали также от советских и японских специалистов. Открытие изменений, происходящих за несколько дней до землетрясения в земной коре, в известной мере подкрепляет широко распространенное представление о том, что птицы и звери могут предчувствовать надвигающееся землетрясение. Нетрудно найти объяснение такому предчувствию, если оно проявляется за полминуты до землетрясения или около того. Ведь многие живые существа гораздо более чувствительны к звукам или вибрации, чем человек, и по крайней мере некоторые из этих случаев, вероятно, обязаны тому, что животные воспринимают слабые продольные волны, в то время как человек ощущает только поперечные. Гораздо труднее проверить и объяснить сообщения о том, что животные проявляли беспокойство за день или более до землетрясения, и вопрос о возможности долговременных предсказаний, сделанных на основании поведения животных, оставался до последнего времени открытым. Теперь представляется вполне возможным, что сообщения о необычном поведении овец и рогатого скота за 15 мин до землетрясения Инангахуа в 1968 г. и другие подобного рода сообщения не лишены оснований и объясняются тем, что животные ощущают какие-либо предваряющие землетрясение деформации земной поверхности, которые находятся за пределами чувствительности человека. Подчеркнем, что во всех этих случаях форшоки инструментально зафиксированы не были. Сходные сообщения имеются о чувствительности рыб, на поведении которых заметно сказывается прохождение через толщу воды сильных Р-волн. Большое количество мертвой рыбы, погибшей скорее всего от подводного сейсмического толчка, было обнаружено после многих сильных землетрясений, начиная от землетрясения в юго-западной Уайрарапе в 1855 г. до Аляскинского землетрясения 1964 г. Проф. Рикитаке (директор научно-исследовательского института землетрясений Токийского университета) обратил внимание на хорошую согласованность длительности предупреждений, получаемых с помощью различных предвестников. Она зависит от магнитуды приближающегося землетрясения и находит отражение в изменении волновых скоростей, естественных электрических токов, содержания родона в подземных водах, скорости крипа и других индикаторов. Для сейсмического толчка с М 3 можно составить лишь однодневное предупреждение, а для толчка с М 4 — примерно десятидневное. Таким образом, для землетрясения с М 8 можно получить на подготовку к нему 25—30 дней. Тот. факт, что различные предвестники дают сходные результаты, рождает надежды, что практический метод прогноза землетрясений находится наконец, в поле зрения. Однако проблема «что делать с прогнозом» остается. Некоторые сейсмологи сочли бы свой долг выполненным, передав свое предупреждение по телеграфу премьер-министру, другие пытаются подключить социологов к исследованию вопроса о том, какова будет наиболее вероятная реакция общества на сделанное предупреждение. Простой горожанин едва ли будет обрадован сообщению, что городской совет предлагает ему посмотреть кинокартину на открытом воздухе в городском сквере, если он будет знать, что его дом по всей вероятности будет разрушен через один или два часа. Нет сомнений, что социальные и экономические проблемы, которые возникнут в результате предупреждения, будут весьма серьезными, но что произойдет в действительности в большой степени, зависит от содержания предупреждения. В настоящее время представляется вероятным, что сейсмологи вначале будут делать заблаговременные предупреждения, возможно, на несколько лет вперед, а затем постепенно уточнять время, место и возможную магнитуду ожидаемого землетрясения по мере его приближения. Ведь стоит сделать предупреждение, и страховые премии, как и цены на недвижимость резко изменятся, может начаться миграция населения, новые строительные объекты будут заморожены, начнется безработица среди рабочих, занятых ремонтом и окраской зданий. С другой стороны, может возникнуть повышенный спрос на лагерное оборудование, средства борьбы с огнем, товары первой необходимости, за чем последуют их нехватка и повышение цен. Нужно четко различать предсказания, источник которого может заслуживать или не заслуживать доверия, и предупреждения, которые должны носить характер официального указания о необходимости осуществления тех или иных практических мероприятий. Даже те государственные или общественные организации, которые проявляют активность на поприще гражданской обороны и располагают хорошо разработанными планами борьбы с неожиданными катастрофами, не задумывались серьезно над последствиями предсказания землетрясений. Еще более осторожно с юридической и административной точек зрения следует подходить к предложениям о контроле над землетрясениями, высказанным некоторыми американскими геофизиками в отношении Калифорнии. Для этого, по их мнению, следует пробурить ряд скважин глубиной в несколько километров вдоль разлома Сан-Андреасна расстоянии 0,5 км друг от друга, а затем, выбрав три скважины, откачивать воду из двух крайних и одновременно нагнетать ее в третью— промежуточную. Это могло бы спровоцировать землетрясение, но его магнитуда была бы невелика, поскольку активный разлом замкнут двумя внешними скважинами. Продвигаясь постепенно вдоль разлома, можно было бы снять региональные тектонические напряжения, прежде чем они достигнут опасной величины, и Калифорнии пришлось бы испытать лишь весьма слабые толчки. Стоимость проекта составила бы не более нескольких миллиардов долларов. Каковы бы ни были перспективы прогноза или контроля, очевидно, что число жертв при землетрясениях и экономические потери могут быть существенно уменьшены, если специалисты направят свою изобретательность и труд в первую очередь на разработку более надежных строительных нормативов и создание более совершенных строительных конструкций.