О землетрясениях мы знаем мало. Одно очевидно: землетрясение легче предупредить, чем справляться с его последствиями. Пока развивается космическая геодезия, сейсмологи наблюдают за животными, прислушиваются к народным приметам и следят за водой.
Всем миром в режиме online
Одной из самых быстроразвивающихся методик предупреждения землетрясений является мониторинг популярных социальных сетей. Отслеживая микроблог «Твиттера» по тегам, ученые могут отслеживать и предугадывать сейсмические процессы.
Самым успешным случаем применения этой по настоящему революционной технологии можно назвать оперативное реагирование на землетрясение, произошедшее в 2011 году в американском штате Вирджиния. Тогда исследователям удалось проанализировать информацию из микроблога и принять упреждающие меры.
Существенную помощь могут оказать также сейсмические мониторы. Они находятся в свободной продаже. Пользователи, обычные граждане, смогут передавать данные своих мониторов c помощью Wi-Fi или смартфонов.
Этот способ предупреждения катастрофы получает сегодня все большее распространение. Справляться с угрозой «всем миром» при помощи Интернета – чем не пример благого использования Всемирной паутины?
Спасительный телеграф
Сегодня землетрясения предсказывают, в том числе, с помощью специальных приборов сейсмографов, которые реагируют на горизонтальные и вертикальные движения. Их предшественником был, как ни странно, телеграф.
В 1897 году иранский кассир и телеграфист Юсеф из города Кермана заметил необычный электромагнитный сигнал, зафиксированный прибором, а через несколько минут произошло землетрясение. 27 октября 1909 года в Иране снова произошло землетрясение, его эпицентр находился в 58 км к юго-востоку от Кермана. И снова оператор станции принял его «послание», зафиксировав необычные движения телеграфной иглы, после чего ему удалось предупредить людей, работавших в здании, и они успели эвакуироваться. Юсеф понял, по колебаниям почвы и передаче электрического импульса по проводам можно предупреждать катастрофу. Он опубликован статью, в которой написал, что «если создать более сложный прибор, необычные движения иглы будут прогнозировать землетрясение за несколько секунд до того, как оно произойдет. А если прибор оснастить большим колоколом, его звук услышат множество людей, и их жизни будут спасены». Согласно геологу Мануэлю Бербериану, открытие Юсефа осталось незамеченным. Возможно, потому, что нескольких секунд не всегда достаточно, чтобы даже выбежать из дома.
«И реки потекут вспять»
Это не страшная фраза из пророчества о конце света, а основной принцип предсказания землетрясений сегодня. Очаги землетрясения обнаруживают с помощью грунтовых вод. Подземные реки протекают, в том числе, в зонах, где создается новый очаг землетрясения. Естественно, что вода реагирует на движение породных масс, которые выдавливают ее или наоборот увеличивают объем за счет изменения объема трещин и микропустот. В результате, меняется само поведение грунтовых вод, которое приводит к изменению уровня воды в колодцах и поворачивает реки вспять. За переменами следят в специальных скважинах, где перед землетрясением вода мутнеет или нагревается.
Живой сигнал
Боязнь перед неожиданным землетрясением – еще один повод завести себе домашнего питомца. В мире давно бытует мнение, что животные более чувствительны к мельчайшим изменениям в окружающем мире, нежели люди. Науке известно множество примеров, когда перед первыми толчками звери начинали вести себя необычно – кошки носились по комнате, собаки становились агрессивными и убегали из дома. Сверхчувствительные способности приписывают даже рыбам, которые уже за несколько дней до толчков проявляют беспокойство, скапливаются в одном месте или выбрасываются на берег. Такое поведение животных не могло пройти мимо внимания ученых и не натолкнуть их на еще один, казалось бы, очевидный способ предсказания катастрофы. Но проблема заключается в том, что пока не выявлена закономерность и причина изменения поведения разных видов фауны – для исследователей это не более чем череда случайностей.
Народные методы
Китай считается одной из самых сейсмологически опасных зон. Поэтому у китайцев исторически выработались свои «народные» способы предсказания землетрясений, уникальные в каждой деревне – где-то уровень воды изменился, где-то змеи из насиженных гнезд повыползали, а в соседнем курятнике куры раскудахтались. Как ни странно, с большими погрешностями, но метод работал. Чтобы хоть как-то систематизировать «народные традиции» и сделать из них эффективное оружие против катастрофы, Мао Цзэдун наладил связь – районы-центр. Люди должны были сообщать по почте или телефону в специальное учреждение обо всех необычных явлениях, которые могли быть предшественниками бедствия. Система функционировала, но не долго. Предупредив таким способом одно сильное землетрясение, она развалилась сразу же после смерти Мао. Результаты не заставили себя ждать. В 1976 году никто не предупредил центр о приближающейся трагедии. На Китай обрушилось сокрушительное Таншанское землетрясение, в котором погибло несколько сотен человек.
Космическая геодезия
Наиболее эффективный способ предсказывать землетрясения сегодня – это использование метода космической геодезии. Задаются потенциально опасные точки, а потом со спутников наблюдается движение поверхности и изменения в этом районе. Полученные данные используются для прогнозов. Лучше всего эта система функционирует в Японии, Калифорнии (США), Потсдаме (Германия) и, конечно же, в Китае. В России способ пока не развит, мы располагаем около 30 таких GPS пунктов на Камчатке и Курилах, в остальных районах они практически не представлены. Тем не менее, по сбываемости прогнозов отстаем не сильно – у США 50%, у нас порядка 40%. Показатели, как можно заметить, не особо высокие. В мире, по-прежнему, не существует хорошей теории прогноза землетрясений.
Последний способ, описанный нами, вполне соответствует поговорке «из огня да в полымя». Речь идет о предупреждении грядущего сильного землетрясения, с помощью более слабых толчков – форшоков, которые обычно ему предшествуют. Так как высокая форшоковая активность может начаться за несколько дней перед настоящей катастрофой, у властей есть шанс спасти население. Например, Китайское сейсмологическое бюро на этом основании начало эвакуацию миллиона человек за день до сильного землетрясения в 1975 году. К сожалению, у этого способа есть свои подводные камни. Несмотря на то, что половине крупных землетрясений предшествуют форшоки, из общего числа землетрясений, форшоками являются только 5-10%. Это приводит к ложным предупреждениям, которые слишком дорого обходятся государству.
Источник миниатюры: wikipedia.org
Добавив немного практических данных к вышеупомянутому ответу о взаимоотношениях Гутенберга-Рихтера, здесь приведен график совокупной вероятности землетрясений в конкретной провинции в Японии на основе наблюдаемых частот в течение многих сотен лет:
Взаимосвязь достоверно лог-линейна (в соответствии с G-R); если вы согласитесь, что отношения будут поддерживать более высокие величины, вы оцениваете вероятность события M10 в этом месте каждые 30 000 лет.
Чтобы получить оценку для «где угодно в мире», вам понадобятся кумулятивные данные для всех. Хорошим местом для начала является сайт USGS - у них есть удобный стол с данными с 1900 года .
Приняв эти данные и построив их на логарифмическом линейном графике, затем экстраполируя линейную подгонку, дается следующая диаграмма:
Это довольно страшно, потому что это говорит о том, что вероятность землетрясения M10 в любой точке мира составляет 1: 100 в любой конкретный год. Обратите внимание, что я построил данные для величиной x до x.9 в месте расположения x), который немного недооценивает ситуацию. Обратите также внимание на то, что в крайнем случае очень больших землетрясений (8 и выше) данные выглядят так, как будто они могут отклоняться от прямой линии, но не хватает данных, чтобы сделать какие-либо твердые выводы о форме.
Есть еще несколько оговорок. Во-первых, можно предположить, что модель может быть экстраполирована: конкретная ошибка не может быть сконструирована таким образом, чтобы хранить энергию, необходимую для события M10, поскольку она всегда будет выделять энергию до того, как она туда попадет (и там может быть эффектом «стресс-теней», в котором говорится, что после большого землетрясения вероятность еще одного крупного временно снижается, потому что стрессы были сняты, поэтому эту модель можно использовать только «в течение длительного периода» и делает не точно отражают риск землетрясения в ближайшие пять лет).
Тем не менее - один процент.
Величина 10 землетрясений действительно возможна, но очень маловероятна. Вы видите, что частота землетрясения определяется законом Гутенберга-Рихтера :
$$ N = 10 ^ {a-bM} $$
где $ N $ - число землетрясений $ \ ge M (величина) $ и $ a, b $ - константы. Как вы можете видеть, чем больше $ M $, тем меньше $ N $. $ a, b $ обычно решаются статистически, через наблюдательные данные и регрессию. Но по номиналу вы можете легко увидеть, что землетрясения большой величины становятся все менее и менее частыми на экспоненциальном уровне.
Что же такое землетрясение магнитудой 10 баллов? Моя догадка - зона субдукции, так как именно здесь происходят самые высокие землетрясения. Какая зона субдукции? Любое предположение так же хорошо, как и мое, Чили или Тонга, хотя важно также отметить, что величина землетрясения часто связана с размером ошибки: я не думаю, что существует ошибка, долгой/большой, чтобы генерировать $ M \ ge 10.0 $ землетрясение на Земле в настоящее время.
Возможны ли землетрясения магнитудой 10 баллов?
Идея «Мега-Квака» - землетрясение магнитудой 10 или больше - теоретически возможно, очень маловероятно. землетрясение величина частично основана на длине разломов - чем дольше ошибка, тем больше землетрясение. Простая истина заключается в том, что существуют нет известных неисправностей, способных генерировать величину 10 или больше «Мега-землетрясение» ()
Где землетрясения магнитудой 10 баллов наиболее вероятны?
Девять из десяти крупнейших землетрясений, которые произойдут в прошлом веке были события зоны субдукции. Это включает в себя Великий Чилийский 1960 Землетрясение, которое на М 9.5 было самым большим землетрясением, когда-либо зарегистрированным, землетрясение и цунами в Индийском океане в 2004 году, а также 2011 Tōhoku землетрясения и цунами. ()
Какова наиболее вероятная частота землетрясений магнитудой 10 баллов?
Если бы они были возможны, учитывая, что в письменной истории не записано ни одного слова, нет никакой возможности простить грехов без большой неопределенности. Исторические данные вводят в заблуждение. Объяснение см. в разделе: (1) " Это, вероятно, наблюдательный эффект, который довольно распространен в науках о Земле. « (2) " "
Насколько велики землетрясения магнитудой 10 баллов?
Очень большой. Чтобы понять, эта круговая диаграмма показывает, как общий сейсмический момент , выпущенный землетрясениями за период 1906 года -2005, с наибольшими индивидуальными землетрясениями (слева) и группами землетрясений (справа). Тонкая лента землетрясения в Сан-Франциско 1906 года также изображена для целей сравнения. M w обозначает величину землетрясения на масштабе момента времени .
CAPTION: Global seismic release from 1906 to 2005, the graph shows that almost 25% of the world earthquake energy in a century was concentrated in the Great Chilean Earthquake alone.
Это определенно возможно, хотя и не очень вероятно, как упоминалось выше. Необычно длинная зона субдукции, такая как траншея Перу-Чили, алеутская траншея или японо-камчатская впадина, должна была разрушить в целом , чтобы вызвать ее. Другими словами, это должно быть землетрясение, которое одновременно поражает Россию и Японию, или землетрясение, которое одновременно поражает Колумбию, Эквадор, Перу и Чили и т. Д.
Кроме того, землетрясение Moment Magnitude 10 не обязательно будет сильно отличаться с точки зрения того, как далеко отходят здания, скажем, от 8 или 9. Однако тряска будет продолжаться гораздо дольше - около 30 минут - и будет распространяться по гораздо большая площадь. И тогда, конечно, есть цунами, которые могут поражать землю , пока тряска все еще продолжается , что значительно увеличивает ущерб, который может вызвать землетрясение.
В техническом смысле землетрясение определяют как непредвиденное высвобождение энергии в толще земной коры, которое приводит к образованию сейсмических волн. Под землетрясениями также понимают подземные толчки или содрогание земной коры. Многие задаются вопросом, есть ли возможность предсказывать землетрясения, однако прежде чем ответить на этот вопрос, стоит уяснить следующее: землетрясения - полностью естественный процесс, который человечество на сегодняшний день контролировать не в силах.
Сегодня ученые лишь способны определить отдельные места на планете, где существует вероятность возникновения крупных землетрясений. Однако время, место и стопроцентную вероятность землетрясения современная наука на данный момент определить не способна. Возможно в будущем, у ученых будет возможность предсказывать землетрясения, как метеорологи могут предсказывать погоду, но это пока лишь только мечты и надежды на будущее.
Догадки и гипотезы
В распоряжении исследователей сейсмических явлений есть современное оборудование, которое позволяет строить определенные догадки относительно возможности возникновения землетрясения в той или иной точке планеты. Однако, это всего лишь догадки и гипотезы, и нет никакой гарантии, что они могут подтвердиться в реальности.
Анализируя историю землетрясений в том или ином регионе, ученые способны строить определенные гипотезы и высказывать предположения относительно возможности повторения подземных толчков в этом месте.
Обладая результатами исследований, ученые с помощью специального оборудования и современных технологий устанавливают точки нарастающего в подземной коре давления и определяют линии тектонических нарушений. Только после скрупулёзного анализа этих данных специалисты могут весьма приблизительно предположить возможность возникновения землетрясения в данной точке. Подобные предсказания очень и очень ненадежны.
Чего удалось добиться
Значительного прогресса ученые достигли в прогнозировании возникновения дополнительных подземных толчков, которые могут последовать после основного изначального землетрясения, подобные явления называются иногда афтершоками (от английского aftershock).
За последние годы очень многие из подобных прогнозов оказались верными на все сто процентов. Подобные прогнозы базируются, прежде всего, на глубоком и тщательном анализе и исследовании графиков и общих особенностей, следующих за первым землетрясением, повторных подземных толчков, при этом основой подобных исследований является изучение линий тектонического нарушения, выявленных во время или после первого землетрясения.
Безусловно, в исследовании землетрясений на сегодняшний день ученые значительно продвинулись по сравнению с положением в этой отрасли, которое наблюдалось несколько десятилетий назад. Развитие технологий и современных методов исследований возможно в скором времени поможет ученым продвинуться еще дальше.
Исследователи полагают, что ключевым звеном в теории изучения землетрясений и возможности их прогнозирования является четкое понимание взаимосвязей между магнитным и электрическим зарядами горных пород и возникновением землетрясения как явления.
Эксперты считают изучение электромагнитного заряда горных пород принципиально важным, так как было установлено, что за очень короткое время до землетрясений свойства электромагнитных полей в определенной степени изменяются. Вполне очевидно, что ключ к разгадке возникновения землетрясений и возможность их успешного прогнозирования лежит в подробном изучении электромагнитных полей и закономерностях их изменения. В этой области ученые продолжают вести исследования, но, к сожалению, на сегодняшний день предсказать возникновение землетрясения в той или иной точке планеты со значительной долей вероятности практически не возможно.
Земле присуще одно прискорбное свойство: она временами уходит из-под ног, и не всегда это связано с результатами бодрой вечеринки в дружеском кругу. От сотрясений почвы встает дыбом асфальт, рушатся дома. Да что там дома?! — катастрофические землетрясения могут вздымать или разрушать горы, осушать озера, разворачивать реки. Жителям домов, гор и побережий в таких ситуациях остается только одно: пытаться уцелеть, насколько это окажется возможным.
Люди сталкивались с буйством земной тверди примерно с тех времен, когда спустились на эту твердь с деревьев. Видимо, к началу человеческой эпохи относятся и первые попытки объяснить природу землетрясений, в которых обильно фигурируют подземные боги, демоны и прочие псевдонимы тектонических движений. По мере того как наши предки обзаводились постоянным жильем с прилагаемыми к нему крепостями и курятниками, урон от сотрясений почвы под ними становился больше, а желание задобрить Вулкана или хотя бы предсказать его немилость — сильнее.
Впрочем, разные страны в древности сотрясались разными сущностями. Японская версия отводит ведущую роль живущим под землей гигантским сомам, которые иногда шевелятся. В марте 2011 года очередное рыбье буйство привело к сильнейшему землетрясению и цунами.
Схема распространения цунами в акватории Тихого океана. На картине цветом показана высота расходящихся в разные стороны волн, порожденных землетрясением вблизи Японии. Напомним, что подземный толчок 11 марта обрушил на побережье Японии волну цунами, приведшую к гибели не менее 20 тысяч человек, обширным разрушениям и превращению слова «Фукусима» в синоним Чернобыля. Реагирование на цунами требует большой оперативности. Скорость океанских волн измеряется километрами в час, а сейсмических — километрами в секунду. За счет этого возникает запас времени в 10−15 минут, за которые нужно оповестить жителей угрожаемой территории.
Неустойчивая твердь
Земная кора находится в очень медленном, но непрерывном движении. Громадные блоки напирают друг на друга и деформируются. Когда напряжения превышают предел прочности, деформация становится неупругой — земная твердь ломается, а пласты смещаются вдоль разлома с упругой отдачей. Впервые эту теорию предложил почти сто лет назад американский геофизик Гарри Рейд, изучавший землетрясение 1906 года, почти полностью разрушившее Сан-Франциско. С тех пор учеными было предложено множество теорий, по‑разному детализирующих ход событий, но первооснова осталась в общих чертах той же.
Глубина моря изменчива. Приходу цунами часто предшествует отступление воды от берега. Упругие деформации земной коры, предшествующие землетрясению, оставляют воду на месте, но глубина дна относительно уровня моря при этом часто меняется. Мониторинг морской глубины осуществляется сетью специальных приборов — мареографов, установленных как на берегу, так и на удалении от берега.
Многообразие версий, увы, не увеличивает объем знаний. Известно, что очаг (по-научному — гипоцентр) землетрясения представляет собой протяженную область, в которой и происходит разрушение горных пород с выделением энергии. Ее объемы прямо связаны с размерами гипоцентра — чем он больше, тем сотрясения сильнее. Очаги разрушительных землетрясений простираются на десятки и сотни километров. Так, очаг Камчатского землетрясения 1952 года имел длину около 500 км, а Суматранского, вызвавшего в декабре 2004 года самое страшное в современной истории цунами, — не менее 1300 км.
Размеры гипоцентра зависят не только от накопленных в нем напряжений, но и от физической прочности горных пород. Каждый отдельный пласт, оказавшийся в зоне разрушения, может как треснуть, увеличивая масштаб события, так и устоять. Конечный результат в итоге оказывается зависимым от множества невидимых с поверхности факторов.
Тектоника в картинках. Столкновение литосферных плин приводит к их деформации и накоплению напряжений.
Сейсмический климат
Сейсмическое районирование территории позволяет предсказать силу возможных в данном месте подземных толчков, пусть даже и без указания точных места и времени. Полученную карту можно сравнить с климатической, вот только вместо атмосферного климата на ней отображен сейсмический — оценка возможной в данном месте силы землетрясения.
Исходной информацией служат данные о сейсмической активности в прошлом. К сожалению, история инструментальных наблюдений за сейсмическими процессами насчитывает немногим более ста лет, а во многих регионах — того меньше. Некоторую помощь может оказать сбор данных из исторических источников: описаний даже античных авторов обычно достаточно, чтобы определить балльность землетрясения, поскольку соответствующие шкалы построены на основе бытовых последствий — разрушения зданий, реакции людей и т. п. Но и этого, конечно, недостаточно — человечество еще слишком молодо. Если в каком-то регионе за последние пару тысяч лет не было десятибалльного землетрясения, это еще не значит, что оно не произойдет там в следующем году. Пока речь идет о рядовом малоэтажном строительстве, с риском такого уровня можно мириться, но размещение АЭС, нефтепроводов и прочих потенциально опасных объектов требует явно большей точности.
Доктор геолого-минералогических наук Николай Короновский, кандидат геолого-минералогических наук Альфред Наймарк.
Землетрясение 12 января 2010 года, Порт-о-Пренс, столица Республики Гаити. Разрушенные президентский дворец и городские кварталы. Общее число погибших - 220 тысяч.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Сейсмическая опасность и прогноз землетрясений в сопоставлении с прогнозами климата и погоды (по В. И. Уломову, http://seismos-u.ifz.ru).
Землетрясение в г. Ван (Турция), 2011 год.
Рис. 1. Предвестниковые и постсейсмические аномалии на графиках агрегированных сигналов, Китай (по А. Любушину, 2007 год).
Рис. 2. Аномалии перед землетрясениями в Японии 25 сентября 2003 года и 11 марта 2011-го, ограничены вертикальными линиями (по А. Любушину, 2011 год).
Не проходит и года, чтобы где-то не случилось катастрофическое землетрясение с тотальными разрушениями и человеческими жертвами, количество которых может достигать десятков и сотен тысяч. А тут ещё цунами - аномально высокие волны, возникающие в океанах после землетрясений и смывающие на низких берегах посёлки и города вместе с жителями. Эти катастрофы всегда неожиданны, пугают их внезапность и непредсказуемость. Неужели современная наука не в состоянии предвидеть подобные катаклизмы? Ведь предсказывают же ураганы, торнадо, изменения погоды, наводнения, магнитные бури, даже извержения вулканов, а с землетрясениями - полный провал. И общество зачастую считает, что виноваты учёные. Так, в Италии попали под суд шестеро геофизиков и сейсмологов, которые в 2009 году не смогли предсказать землетрясение в Аквиле, унёсшее жизни 300 человек.
Казалось бы, имеется много разных инструментальных методов, приборов, фиксирующих малейшие деформации земной коры. А прогноз землетрясения не удаётся. Так в чём же дело? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим сначала, что же представляет собой землетрясение.
Самая верхняя оболочка Земли - литосфера, состоящая из твёрдой земной коры мощностью от 5-10 км в океанах и до 70 км под горными массивами, - подразделяется на ряд плит, называемых литосферными. Ниже располагается также твёрдая верхняя мантия, точнее, её верхняя часть. Эти геосферы состоят из различных горных пород, обладающих высокой твёрдостью. Но в толще верхней мантии на разных глубинах размещается слой, названный астеносферным (от греческого астенос - слабый), имеющий меньшую вязкость по сравнению с выше- и нижележащими породами мантии. Предполагается, что астеносфера является той «смазкой», по которой могут перемещаться литосферные плиты и части верхней мантии.
Во время движения пли`ты в одних местах сталкиваются, образуя огромные горно-складчатые цепи, в других, наоборот, раскалываются с образованием океанов, кора которых тяжелее коры континентов и способна погружаться под них. Эти взаимодействия плит вызывают колоссальные напряжения в горных породах, сжимая или, наоборот, растягивая их. Когда напряжения превышают предел прочности горных пород, происходит их очень быстрое, практически мгновенное, смещение, разрыв. Момент этого смещения и представляет собой землетрясение. Если мы хотим его предсказать, то должны дать прогноз места, времени и возможной силы.
Любое землетрясение представляет собой процесс, идущий с некоторой конечной скоростью, с образованием и обновлением множества разномасштабных разрывов, вспарыванием каждого из них с высвобождением и перераспределением энергии. При этом надо чётко понимать, что горные породы представляют собой не сплошной однородный массив. В нём есть трещины, структурно ослабленные зоны, которые значительно понижают его суммарную прочность.
Скорость распространения разрыва или разрывов достигает нескольких километров в секунду, процесс разрушения охватывает некоторый объём пород - очаг землетрясения. Его центр называется гипоцентром, а проекция на поверхность Земли - эпицентром землетрясения. Гипоцентры располагаются на разных глубинах. Наиболее глубокие - до 700 км, но чаще гораздо меньше.
Интенсивность, или сила, землетрясений, которая так важна для прогнозирования, характеризуется в баллах (мера разрушения) по шкале MSK-64: от 1 до 12, а также магнитудой М - безразмерной величиной, предложенной профессором Калифорнийского технологического института Ч. Ф. Рихтером, которая отражает количество высвобожденной общей энергии упругих колебаний.
Что такое прогноз?
Чтобы оценить возможность и практическую пользу прогноза землетрясений, нужно чётко определить, каким требованиям он должен отвечать. Это не угадывание, не тривиальное предсказание заведомо регулярных событий. Прогноз определяется как научно обоснованное суждение о месте, времени и состоянии явления, закономерности возникновения, распространения и изменения которого неизвестны или неясны.
Принципиальная прогнозируемость сейсмических катастроф долгие годы никаких сомнений не вызывала. Вера в безграничный предсказательный потенциал науки подкреплялась, казалось бы, вполне убедительными доводами. Сейсмические события с выделением огромной энергии не могут происходить в недрах Земли без подготовки. Она должна включать определённые перестройки структуры и геофизических полей, тем большие, чем интенсивней ожидаемое землетрясение. Проявления таких перестроек - аномальные изменения тех или иных параметров геологической среды - выявляются методами геолого-геофизического и геодезического мониторинга. Задача, следовательно, состояла в том, чтобы, располагая необходимыми методиками и аппаратурой, вовремя зафиксировать возникновение и развитие таких аномалий.
Однако оказалось, что даже в районах, где ведутся непрерывные тщательные наблюдения - в Калифорнии (США), Японии, - сильнейшие землетрясения всякий раз случаются неожиданно. Получить надёжный и точный прогноз эмпирическим путём не удаётся. Причину этого видели в недостаточной изученности механизма исследуемого процесса.
Таким образом, сейсмический процесс априори считался в принципе прогнозируемым, если механизмы, фактические данные и необходимые методики, неясные или недостаточные сегодня, будут поняты, пополнены и усовершенствованы в будущем. Каких-либо принципиально непреодолимых препятствий прогнозированию нет. Унаследованные от классической науки постулаты безграничных возможностей научного познания, предсказания интересующих нас процессов были до относительно недавнего времени исходными принципами любого естественно-научного исследования. А как эта проблема понимается сейчас?
Достаточно очевидно, что даже без специальных исследований можно уверенно «прогнозировать», например, в высокосейсмичной зоне перехода от азиатского континента к Тихому океану в ближайшие 1000 лет сильное землетрясение. Столь же «обоснованно» можно утверждать, что в районе острова Итуруп Курильской гряды завтра в 14:00 по московскому времени произойдёт землетрясение с магнитудой 5,5. Но цена таким прогнозам - ломаный грош. Первый из прогнозов вполне достоверен, но никому не нужен ввиду его крайне малой точности; второй достаточно точен, но также бесполезен, ибо его достоверность близка к нулю.
Из этого ясно, что: а) при любом определённом уровне изученности повышение достоверности прогноза влечёт за собой снижение его точности, и наоборот; б) при недостаточной точности прогноза каких-либо двух параметров (например, места и магнитуды землетрясения) даже точное предсказание третьего параметра (времени) теряет практический смысл.
Таким образом, главная задача и главная трудность прогнозирования землетрясения в том, чтобы предсказания его места, времени и энергии или интенсивности удовлетворяли бы требованиям практики одновременно и по точности, и по достоверности. Однако сами эти требования различны в зависимости не только от достигнутого уровня знаний о землетрясениях, но и от конкретных целей прогнозирования, которым отвечают разные типы прогноза. Принято выделять:
Сейсморайонирование (оценки сейсмичности на десятилетия - столетия;
Прогнозы: долгосрочный (на годы - десятилетия), среднесрочный (на месяцы - годы), краткосрочный (по времени 2-3 суток - часы, по месту 30-50 км) и иногда оперативный (на часы - минуты).
Особенно актуален краткосрочный прогноз: именно он - основание для конкретных предупреждений о предстоящей катастрофе и для неотложных действий по уменьшению ущерба от неё. Цена ошибок здесь очень велика. А ошибки эти бывают двух типов:
1. «Ложная тревога», когда после принятия всех мер для минимизации количества людских жертв и материальных потерь предсказанное сильное землетрясение не происходит.
2. «Пропуск цели», когда состоявшееся землетрясение не было предсказано. Такие ошибки чрезвычайно часты: практически все катастрофические землетрясения оказываются неожиданными.
В первом случае ущерб от нарушения ритма жизни и работы тысяч людей может быть очень большим, во втором - последствия чреваты не только материальными потерями, но и человеческими жертвами. В обоих случаях моральная ответственность сейсмологов за неверный прогноз очень велика. Это заставляет их быть предельно осторожными при выдаче (или невыдаче) властям официальных предупреждений о предстоящей опасности. В свою очередь власти, осознавая огромные трудности и тяжёлые последствия остановки функционирования плотно заселённого района или крупного города хотя бы на день-другой, отнюдь не спешат следовать рекомендациям многочисленных «самодеятельных» неофициальных прогнозистов, декларирующих 90%-ную и даже 100%-ную достоверность своих предсказаний.
Дорогая цена незнания
Между тем непредсказуемость геокатастроф обходится человечеству очень дорого. Как отмечает, например, российский сейсмолог А. Д. Завьялов, с 1965 по 1999 год землетрясения составляли 13% от общего числа природных катастроф в мире. С 1900 по 1999 год произошло 2000 землетрясений с магнитудой более 7. В 65 из них М была выше 8. Людские потери от землетрясений в XX веке составили 1,4 млн человек. Из них на последние 30 лет, когда количество жертв стали подсчитывать более точно, пришлось 987 тыс. человек, то есть 32,9 тыс. человек в год. Среди всех природных катастроф землетрясения стоят на третьем месте по количеству смертных случаев (17% от общего числа погибших). В России, на 25% её площади, где расположены около 3000 городов и посёлков, 100 крупных гидро- и тепловых электростанций, пять АЭС, возможны сейсмические сотрясения с интенсивностью 7 и более. Сильнейшие землетрясения в ХХ столетии происходили на Камчатке (4 ноября 1952 года, М = 9,0), на Алеутских островах (9 марта 1957 года, М = 9,1), в Чили (22 мая 1960 года, М = 9,5), на Аляске (28 марта 1964 года, М = 9,2).
Впечатляет перечень сильнейших землетрясений в недавние годы.
2004 год, 26 декабря. Суматро-Андаманское землетрясение, М = 9,3. Сильнейший афтершок (повторный толчок) с М = 7,5 возник спустя 3 ч 22 мин после главного удара. За первые сутки после него зарегистрировано около 220 новых землетрясений с М > 4,6. Цунами обрушилось на побережья Шри-Ланки, Индии, Индонезии, Таиланда, Малайзии; погибли 230 тыс. человек. Спустя три месяца возник афтершок с М = 8,6.
2005 год, 28 марта. Остров Ниас, в трёх километрах от Суматры, землетрясение с М = 8,2. Погибли 1300 человек.
2005 год, 8 октября. Пакистан, землетрясение с М = 7,6; погибли 73 тыс. человек, более трёх миллионов остались без крова.
2006 год, 27 мая. Остров Ява, землетрясение с М = 6,2; погибли 6618 человек, 647 тыс. остались без крова.
2008 год, 12 мая. Провинция Сычуань, Китай, в 92 км от г. Ченду, землетрясение М = 7,9; погибли 87 тыс. человек, 370 тыс. ранены, 5 миллионов остались без крова.
2009 год, 6 апреля. Италия, землетрясение с М = 5,8 близ исторического г. Аквила; жертвами стали 300 человек, ранены 1,5 тыс., более 50 тыс. остались без крова.
2010 год, 12 января. Остров Гаити, в нескольких милях от побережья два землетрясения с М = 7,0 и 5,9 в течение нескольких минут. Погибли около 220 тыс. человек.
2011 год, 11 марта. Япония, два землетрясения: М = 9,0, эпицентр в 373 км к северо-востоку от Токио; М = 7,1, эпицентр в 505 км к северо-востоку от Токио. Катастрофическое цунами, погибли более 13 тыс. человек, 15,5 тыс. пропали без вести, разрушение АЭС. Спустя 30 мин после главного толчка - афтершок с М = 7,9, затем ещё один толчок с М = 7,7. За первые сутки после землетрясения зарегистрировано около 160 толчков с магнитудами от 4,6 до 7,1, из них 22 толчка с М > 6. За вторые сутки количество зарегистрированных афтершоков с М > 4,6 составило около 130 (из них 7 афтершоков с М > 6,0). За третьи сутки это число снизилось до 86 (в том числе один толчок с М = 6,0). На 28-е сутки произошло землетрясение с М = 7,1. К 12 апреля было зарегистрировано 940 афтершоков с М > 4,6. Эпицентры повторных толчков покрыли область протяжённостью около 650 км, в поперечнике около 350 км.
Все, без исключений, перечисленные события оказывались неожиданными или «предсказанными» не настолько определённо и точно, чтобы можно было принять конкретные меры безопасности. Между тем утверждения о возможности и даже многократных реализациях надёжного краткосрочного прогноза конкретных землетрясений нередки как на страницах научных изданий, так и в интернете.
История двух прогнозов
В районе города Хайчэн, провинция Ляонин (Китай), в начале 70-х годов прошлого столетия неоднократно отмечались признаки возможного сильного землетрясения: изменения наклонов земной поверхности, геомагнитного поля, электросопротивления грунтов, уровня воды в колодцах, поведения животных. В январе 1975 года было объявлено о предстоящей опасности. К началу февраля внезапно поднялся уровень воды в колодцах, сильно возросло число слабых землетрясений. К вечеру 3 февраля власти были уведомлены сейсмологами о близкой катастрофе. На следующее утро произошло землетрясение с магнитудой 4,7. В 14:00 было объявлено о вероятности ещё более сильного удара. Жители покинули дома, были приняты меры безопасности. В 19:36 мощный толчок (М = 7,3) вызвал обширные разрушения, но жертв оказалось немного.
Это единственный пример удивительно точного по времени, месту и (приблизительно) по интенсивности краткосрочного прогноза разрушительного землетрясения. Однако иные, очень немногие оправдавшиеся прогнозы были недостаточно определёнными. Главное же - число как непредсказанных реальных событий, так и ложных тревог оставалось чрезвычайно большим. Это означало, что надёжного алгоритма устойчивого и точного предсказания сейсмокатастроф нет, а хайчэнский прогноз - скорее всего, лишь необычайно удачное стечение обстоятельств. Так, чуть больше года спустя, в июле 1976-го, в 200-300 км к востоку от Пекина произошло землетрясение с M = 7,9. Был полностью разрушен г. Таншань, погибли 250 тыс. человек. Определённых предвестников катастрофы не наблюдалось, тревога не объявлялась.
После этого, а также после неудачи многолетнего эксперимента по прогнозу землетрясения в Паркфилде (США, штат Калифорния) в середине 80-х годов прошлого века возобладало скептическое отношение к перспективам решения проблемы. Это нашло отражение в большинстве докладов на совещании «Оценка проектов по прогнозу землетрясений» в Лондоне (1996 г.), проведённом Королевским астрономическим обществом и Объединённой ассоциацией геофизики, а также в дискуссии сейсмологов разных стран на страницах журнала «Nature» (февраль - апрель 1999 года).
Значительно позже Таншаньского землетрясения российский учёный А. А. Любушин, анализируя данные геофизического мониторинга тех лет, смог выявить аномалию, предшествовавшую этому событию (на верхнем графике рис. 1 оно выделено правой вертикальной линией). Соответствующая этой катастрофе аномалия присутствует и на нижнем, модифицированном, графике сигнала. На обоих графиках имеются и другие аномалии, ненамного уступающие упомянутой, однако не совпавшие с какими-либо землетрясениями. Но никакого предвестника Хайчэнского землетрясения (левая вертикальная линия) первоначально найдено не было; аномалия выявилась только после модификации графика (рис. 1, внизу). Таким образом, хотя выявить предвестники Таншаньского и в меньшей степени Хайчэнского землетрясений в данном случае апостериори удалось, надёжного прогнозного выделения признаков будущих разрушительных событий найдено не было.
В наши дни, анализируя результаты длительных, с 1997 года, непрерывных записей микросейсмического фона на Японских островах, А. Любушин обнаружил, что ещё за полгода до сильного землетрясения на о. Хоккайдо (М = 8,3; 25 сентября 2003 года) произошло уменьшение среднего по времени значения сигнала-предвестника, после чего сигнал не вернулся к прежнему уровню и стабилизировался на низких значениях. Это с середины 2002 года сопровождалось увеличением синхронизации значений данного признака по разным станциям. Такая синхронизация с позиций теории катастроф - признак приближающегося перехода исследуемой системы в качественно новое состояние, в данном случае - указание на предстоящее бедствие. Эти и последующие результаты обработки имевшихся данных привели к предположению, что событие на о. Хоккайдо, хотя и сильное, всего лишь форшок ещё более мощной предстоящей катастрофы. Так, на рис. 3 видны две аномалии поведения сигнала-предвестника - острые минимумы в 2002 и 2009 годах. Поскольку после первого из них последовало землетрясение 25 сентября 2003 года, то второй минимум мог быть предвестником ещё более мощного события с М = 8,5-9. Его место указывалось как «Японские о-ва»; более точно оно было определено ретроспективно, постфактум. Время события прогнозировалось вначале (апрель 2010 года) на июль 2010 года, затем - от июля 2010 года на неопределённый период, что исключало возможность объявления тревоги. Произошло оно 11 марта 2011 года, причём, судя по рис. 2, его можно было ожидать и раньше, и позже.
Данный прогноз относится к среднесрочным, которые бывали успешными и прежде. Краткосрочные же удачные прогнозы всегда единичны: найти какой-либо устойчиво эффективный набор предвестников не удавалось. И сейчас нет способов заранее узнать, в каких ситуациях будут эффективны те же предвестники, что и в прогнозе А. Любушина.
Уроки прошлого, сомнения и надежды на будущее
Каково же современное состояние проблемы краткосрочного сейсмопрогнозирования? Разброс мнений очень велик.
В последние 50 лет попытки прогноза места и времени сильных землетрясений за несколько суток были безуспешны. Выделить предвестники конкретных землетрясений не удалось. Локальные возмущения различных параметров среды не могут быть предвестниками отдельных землетрясений. Не исключено, что краткосрочный прогноз с нужной точностью вообще нереален.
В сентябре 2012 года, в ходе 33-й Генеральной ассамблеи Европейской сейсмологической комиссии (Москва), генеральный секретарь Международной ассоциации сейсмологии и физики недр Земли П. Сухадолк признал, что в ближайшее время прорывных решений в сейсмологии не ожидается. Отмечалось, что ни один из более 600 известных предвестников и никакой их набор не гарантируют предсказания землетрясений, которые бывают и без предвестников. Уверенно указать место, время, мощность катаклизма не удаётся. Надежды возлагаются лишь на предсказания там, где сильные землетрясения происходят с некоторой периодичностью.
Так возможно ли в будущем повысить одновременно точность и достоверность прогноза? Прежде чем искать ответ, следует понять: а почему, собственно, землетрясения должны быть прогнозируемы? Традиционно полагают, что любое явление прогнозируемо, если достаточно полно, подробно и точно изучены уже происшедшие подобные события, и прогнозирование можно строить по аналогии. Но будущие события происходят в условиях, не тождественных прежним, и поэтому непременно в чём-то от них отличаются. Такой подход может быть эффективен, если, как подразумевается, отличия в условиях зарождения и развития исследуемого процесса в разных местах, в разное время невелики и меняют его результат пропорционально величине таких отличий, то есть также незначительно. При неоднократности, случайности и разнозначности подобных отклонений они существенно взаимокомпенсируются, позволяя получать в итоге не абсолютно точный, но статистически приемлемый прогноз. Однако возможность такой предсказуемости в конце XX века была поставлена под сомнение.
Маятник и песчаная куча
Известно, что поведение множества природных систем достаточно удовлетворительно описывается нелинейными дифференциальными уравнениями. Но их решения в некоторой критической точке эволюции становятся неустойчивыми, неоднозначными - теоретическая траектория развития разветвляется. Та или иная из ветвей непредсказуемо реализуется под действием одной из множества малых случайных флуктуаций, всегда происходящих в любой системе. Предсказать выбор можно было бы лишь при точном знании начальных условий. Но к их малейшим изменениям нелинейные системы весьма чувствительны. Из-за этого выбор пути последовательно всего в двух-трёх точках ветвления (бифуркации) приводит к тому, что поведение решений вполне детерминистических уравнений оказывается хаотическим. Это выражается - даже при плавном увеличении значений какого-либо параметра, например давления, - в самоорганизации коллективных нерегулярных, скачкообразно перестраивающихся перемещений и деформаций элементов системы и их агрегаций. Такой режим, парадоксально сочетающий детерминированность и хаотичность и определяемый как детерминистский хаос, отличный от полной разупорядоченности, отнюдь не исключителен, и не только в природе. Приведём простейшие примеры.
Сжимая строго по продольной оси гибкую линейку, мы не сможем предсказать, в какую сторону она изогнётся. Качнув маятник без трения настолько сильно, чтобы он достиг точки верхнего, неустойчивого положения равновесия, но не более, мы не сможем предсказать, пойдёт ли маятник вспять или сделает полный оборот. Посылая один бильярдный шар в направлении другого, мы приблизительно предвидим траекторию последнего, но после его столкновений с третьим, а тем более с четвёртым шаром наши прогнозы окажутся очень неточными и неустойчивыми. Наращивая равномерной подсыпкой кучу песка, при достижении некоторого критического угла её склона увидим, наряду со скатыванием отдельных песчинок, непредсказуемые лавинообразные обрушения спонтанно возникающих агрегаций зёрен. Таково детерминированно-хаотическое поведение системы в состоянии самоорганизованной критичности. Закономерности механического поведения отдельных песчинок дополняются здесь качественно новыми особенностями, обусловленными внутренними связями совокупности песчинок как системы.
Принципиально похоже формируется разрывная структура породных массивов - от начального рассредоточенного микрорастрескивания к разрастанию отдельных трещин, затем - к их взаимодействиям и взаимосочленениям. Опережающее разрастание какого-то одного, заранее непредсказуемого нарушения среди конкурирующих превращает его в магистральный сейсмогенный разрыв. В этом процессе каждый единичный акт образования разрыва вызывает непрогнозируемые перестройки структуры и напряжённого состояния в массиве.
В приведённых и других подобных примерах не прогнозируемы ни конечный, ни промежуточные результаты нелинейной эволюции, определённой начальными условиями. Связано это не с воздействием множества трудно учитываемых факторов, не с незнанием законов механического движения, а с невозможностью оценить начальные условия абсолютно точно. В этих обстоятельствах даже малейшие их различия быстро разводят исходно близкие траектории развития сколь угодно далеко.
Традиционная стратегия прогнозирования катастроф сводится к выявлению отчётливой аномалии-предвестника, порождённой, например, концентрацией напряжений у окончаний, изломов, взаимопересечений разрывов. Чтобы стать достоверным признаком приближающегося толчка, такая аномалия должна быть единичной и контрастно выделяющейся на окружающем фоне. Но реальная геосреда устроена по-другому. Под нагрузкой она ведёт себя как грубо- и самоподобно-блочная (фрактальная). Это означает, что блок любого масштабного уровня вмещает относительно немного блоков меньших размеров, а каждый из них - столько же ещё меньших и т.д. В такой структуре не может быть чётко обособленных аномалий на однородном фоне, в ней присутствуют неконтрастно различающиеся макро-, мезо- и микроаномалии.
Это делает бесперспективной традиционную тактику решения проблемы. Отслеживание подготовки сейсмокатастроф одновременно в нескольких относительно близких по потенциальной опасности очагах снижает вероятность пропуска события, но в то же время повышает вероятность ложной тревоги, поскольку наблюдаемые аномалии не единичны и не контрастны на окружающем пространстве. Можно предвидеть детерминированно-хаотический характер нелинейного процесса в целом, отдельных его стадий, сценариев перехода от стадии к стадии. Но требуемые надёжность и точность краткосрочных прогнозов конкретных событий остаются недостижимыми. Давняя и почти всеобщая убеждённость в том, что любая непредсказуемость - лишь следствие недостаточной изученности и что при более полном и детальном изучении сложная, хаотичная картина непременно сменится более простой, а прогноз станет надёжным, оказалась иллюзией.