Трясло, трясет и трясти будет

Для геологов и геофизиков анализ сейсмограмм дает бесценную информацию о строении земных недр. Фото Reuters

Российский сейсмолог, академик князь Борис Голицын еще в начале ХХ века уподобил землетрясения фонарям, которые зажигаются на короткое время и освещают внутренность Земли, позволяя тем самым рассмотреть то, что там происходит. Он имел в виду бесценную информацию, которую приносят сейсмические волны, распространяющиеся от гипоцентров землетрясений по земным слоям, расположенным на огромных глубинах.

Сейсмология взрывов

В сейсмологии под землетрясением понимают не только сотрясение земной поверхности, но и процесс нарушения сплошности Земли в области очага (гипоцентра).

Геофизика, ранее изучавшая структуру неподвижной Земли, все больше становится инструментом изучения разнообразных процессов, происходящих в земных недрах. Тем самым взгляд на землетрясение трансформировался, и теперь оно рассматривается как экспериментальное свидетельство таких процессов.

Однако дело в том, что землетрясение как источник сейсмических волн – довольно грубый инструмент. Оно происходит внезапно в заранее неизвестном гипоцентре. Это приводит к низкой точности и неоднозначности результатов определения структуры земных недр.

В первой четверти прошлого века в сейсмологии стали применять большие взрывы, для чего использовали крупные партии боеприпасов, оставшихся после Первой мировой войны. Записи европейских сейсмических станций позволили выделить неизвестные ранее сейсмические границы в земной коре и мантии Земли. Промежуточное место между сейсмологией и сейсморазведкой заняло новое направление – глубинное сейсмическое зондирование (ГСЗ), опирающееся на сейсмологию взрывов.

Понятие «активная сейсмология» вошло в научный оборот в России, а затем в Японии в конце прошлого века. Оно связано с новым направлением в сейсмологии, использующим в качестве источников сейсмических волн мощные механические вибраторы. Российскими учеными были созданы сейсмовибраторы, позволяющие путем длительных (от десятков минут до нескольких часов) сеансов излучения получить сейсмические записи (сейсмограммы), сопоставимые с записями при среднем землетрясении. Такие источники оказались востребованными в сейсмологии благодаря контролируемости излучаемого сигнала, точности задания координат источника и времени его включения, а также благодаря возможности их безопасного использования в несейсмических районах даже вблизи населенных пунктов.

Сквозь слои

Землю в общих чертах представляют состоящей из следующих концентрических слоев: тонкой земной коры, структура которой переменна и относительно сложна; более однородной твердой мантии, простирающейся от коры до глубины около 2900 км; жидкого внешнего ядра толщиной около 2200 км; предположительно твердого внутреннего ядра радиусом примерно 1200 км.

Отсутствие прямых данных о горных породах в подкоровом пространстве Земли заставляет геологов ограничиться гипотезами о составе земных недр, основанными на косвенных данных. 

При землетрясениях возникает особый вид движения литосферы (твердой оболочки Земли), проявляющегося в виде упругих колебаний горных пород.

Наиболее сильны и многочисленны землетрясения, обусловленные тектоническими движениями земной коры. Медленные ее движения приводят к нарастанию напряжений в горных породах и при переходе через предел прочности породы разрушаются практически мгновенно. Длина разрывных нарушений, связанных с землетрясениями, может колебаться от нескольких километров до сотен километров. 

Наибольшее число землетрясений происходит на глубине менее 50 км, немного – в интервале глубин 50–100 км, единичные землетрясения случаются в интервале глубин 300–700 км. При землетрясениях дна океанов (моретрясениях) возникают цунами – огромные волны высотой до 30 м.

За последние 300 лет от землетрясений в мире погибло около 3 млн человек. Во второй половине XX века – более миллиона, при этом материальный ущерб составил 300 млрд долл.

Основная мера борьбы с разрушительным эффектом землетрясения – антисейсмическое строительство. Однако даже высокий уровень антисейсмического строительства не предохраняет современный город от огромных потерь. Об этом свидетельствует печальный опыт землетрясения в Японии в 1995 году, при котором погибло 64 тыс. человек. Поэтому проблема прогноза места, времени и силы землетрясения является в данное время жизненно важной.

Возможность прогноза

Наибольшую трудность для геофизиков представляют краткосрочные прогнозы землетрясений, которые по времени, месту и надежности должны быть достаточными для эвакуации населения из опасной области. 

По мнению некоторых исследователей, предсказать такие природные катастрофы вообще невозможно, поскольку якобы отсутствуют физические механизмы для объяснения предвестников землетрясений (форшоков). При этом существенно, что в большинстве случаев трудно разделить подлинные форшоки и флуктуации фоновых землетрясений. И лишь в случае относительно сильных техногенных землетрясений, возникающих в процессе заполнения искусственных водохранилищ, форшоки достаточно уверенно сопровождают последующую рукотворную катастрофу.

Оппоненты пессимистов оспаривают многие из их положений. Дело в том, что предварительное скольжение по тектоническим разломам и форшоки наблюдаются перед сильными землетрясениями в 10–30% случаев. Измерение же деформаций земной коры разными методами дает возможность выделять наиболее напряженные участки, чреватые последующим землетрясением. В целом же физическая природа краткосрочных форшоков продолжает оставаться невыясненной.

Прогноз землетрясений может быть и среднесрочным, на интервалы до пяти лет. Главные цели такого прогноза не эвакуация населения, а разумная политика планирования строительства, использования земель и заблаговременная подготовка к ожидаемой катастрофе. Существенно, что закономерности и физическая природа среднесрочных форшоков исследованы значительно лучше.

Лабораторные эксперименты показали, что переход к неустойчивости в неоднородной среде не происходит мгновенно. Это обстоятельство и обеспечивает принципиальную возможность прогнозирования сильных землетрясений. Сейчас планируется создание карт потенциальных очагов землетрясений с указанием силы ожидаемых воздействий, которые с большой вероятностью произойдут в ближайшие десятилетия.

Вместе с тем продолжаются поиски более надежных краткосрочных форшоков, в том числе при активном зондировании потенциальных очагов упругими и электромагнитными волнами.

Биопредвестники землетрясений

Перед землетрясениями, цунами и извержениями вулканов издавна наблюдалось аномальное поведение животных. Проявлялось оно в изменении их общей эмоциональной реактивности – возникновении неясной тревоги и беспокойства или возникновении у них целенаправленного поведения, обусловленного ощущением опасности. При этом интервал времени между соответствующим природным катаклизмом и аномальным поведением животных не превышал двух-трех недель.

К числу возможных факторов воздействия на животных относили электромагнитное поле, инфра- и ультразвук, выделение газов в атмосферу… При этом, однако, неизменно возникал вопрос о том, в чем же заключались отличительные признаки аномальных физических полей перед катаклизмами от текущих и также меняющихся полей. При попытках ответить на этот вопрос возникли проблемы, справиться с которыми никому не удалось до сих пор. Усугубляется это тем, что долговременная технопатогенная обстановка в мегаполисах сходна с кратковременной патогенной ситуацией перед сильными землетрясениями.

Несмотря на большие трудности, попытки создания медико-биологического детектора землетрясений продолжаются. Одно из возможных направлений непосредственно связано с медициной, когда объектом медико-биологического мониторинга является больной человек, используемый в качестве чувствительного датчика повышенной сейсмической активности. При этом ставка делается на измерение параметров крови, электрической активности мозга, сердечного и дыхательного ритма. Важно, чтобы число контролируемых людей было достаточно большим для получения статистически устойчивых результатов.

Есть также предложения вместо пациентов в больницах использовать домашних животных при аналогичных инструментальных наблюдениях, а также при условии мониторинга поведенческих реакций животных. Их индивидуальная чувствительность может значительно усиливаться за счет коллективного эффекта (в состоянии коллективного психоза). Предполагается проведение соответствующих исследований с растениями на предмет определения возможности инструментального мониторинга. И если чувствительность растений окажется не ниже, чем у животных, то это может сильно удешевить прогноз.

Поскольку накануне землетрясений, как показывают исследования, на большие амплитудные аномалии геофизических полей рассчитывать не приходится, чувствительность живых организмов именно к слабым воздействиям представляет большую важность. Эта их чувствительность к сейсмическим аномалиям перед землетрясением считается вполне доказанной.