Водородная смазка для землетрясений

Водородная дегазация изменяет состояние среды, делая ее непохожей ни на какие лабораторные модели. Фото Pixabay

Проблема детерминизма в науках о Земле – основная. Понимание причинно‑следственных связей определяет успех или неуспех в развитии наук о Земле. Таковы и проблемы землетрясений, которые внешне как бы отделены от других направлений, но на самом деле их составная часть.

Мы не знаем, что мы контролируем

Перефразируя Станислава Лема, можно сказать, что нам надо сложить непротиворечивое целое из косвенных и неполных данных, части которых отсутствуют или мы их не понимаем. Еще Альберт Эйнштейн отмечал, что все, что мы знаем о реальности, исходит из опыта и заканчивается им.

Усилиями многих сотен специалистов были получены уникальные данные о строении геологической среды и процессах в ней, а также многочисленные наблюдательные данные о развивающихся процессах. К ним прежде всего надо отнести водородную дегазацию планеты. Однако все новое вызывало ожесточенные споры, связанные как раз с непониманием причинно‑следственных связей в геологической среде и окружающем пространстве.

Это было естественно. Экспериментальная геофизика ­– ­­­­это не экспериментальная физика. Что мы реально контролируем поверхностными методами – мы не знаем. Методы локальные, а процессы носят региональный характер. Так, многие годы считали, что контролируемая сейсмическими и электромагнитными методами на Кольском полуострове зона на глубине около 7 км является переходной от гранита к базальту. Однако Кольская сверхглубокая скважина показала, что это зона трещиноватости.

Это же касалось наблюдений предвестников землетрясений, печальная судьба которых была запрограммирована с самого начала. В рамках механической модели, предложенной Рейдом после сильнейшего события 1906 года в Сан‑Франциско, напряжения в литосфере должны постепенно увеличиваться до предела прочности среды. Далее происходит «разрыв», который наблюдали на поверхности. По существу, были «обоснованы» выводы, что любые возмущения любых параметров перед землетрясениями могут считаться их предвестниками.

Десятки лет так считали и прогнозировали события без указания на эпицентральную зону и краткосрочный период опасности. Эти ошибочные представления распространены до сих пор, они следуют из лабораторных экспериментов по разрушению. И ведь очень понятны! Однако любой кусок породы, извлеченный из геологической среды, становится просто образцом, размеры которого несопоставимы с масштабами развивающихся процессов. В таких образцах, длительное время находящихся в нормальных условиях, сформировались равновесные структура и пористость. Но к среде это отношения не имело.

Проблема спрятана между блоками

Все это не оставалось незамеченным. В 50‑х и начале 80‑х годов прошлого века выдающиеся представители геофизики, кстати, представляющие Институт физики Земли АН СССР им. О.Ю. Шмидта, анализируя уже накопившиеся наблюдательные данные, начинают понимать, что ситуация в геологической среде не такая простая и однозначная.

Сейсмический акт, который вызывает упругие волны и соответствующее трясение Земли, происходит по существующим границам блоков, но это уже не разрыв, а быстрая подвижка. Активизация этих процессов происходит снизу. Академик Григорий Гамбурцев и член‑корреспондент Академии наук СССР Юрий Ризниченко высказали идею вертикального переноса энергии. В начале 80‑х годов академик Михаил Садовский и профессор Виктор Николаевский развили эти идеи, дополнив представления о среде как блоковой, находящейся в предельном по упругой энергии состоянии. Причем блоки двигаются как единое целое относительно друг друга (современные движения в среде).

Сильнейшие сейсмические акты контролируются состоянием межблоковых граничных структур, а не процессами прогрессирующего трещинообразования, что следовало из механики разрушения монолитных образцов. Это принципиально другие подходы, и для проявления сильнейших землетрясений не нужно накапливать упругие напряжения в больших объемах, как это следует из механики.

Сама блоковая среда до глубин около 30 км – то есть до так называемой границы Мохо – в присутствии флюида находится и поддерживается уже в трещиноватом состоянии, и сильные сейсмические акты в рамках чисто механических процессов разрушения внутри блоков невозможны. Здесь могут быть слабые сейсмические события, сейсмические акты, которых также представляют подвижки различных элементов среды относительно друг друга. Блок не монолит, но если бы в среде происходило непрерывное трещинообразование, то, по образному выражению академика Садовского, среда давно бы превратилась в песок.

Водородная дегазация планеты

К концу 1980‑х годов накопились многочисленные экспериментальные данные, показывающие, что геологическая среда всегда находится в неустойчивом состоянии на различных масштабах. В этой среде отсутствуют устойчивые состояния. Неустойчивое состояние внутриблоковой среды, так же как и движения отдельных элементов относительно друг друга, обусловлено процессами взаимодействия восходящих водородных потоков с твердой фазой. Эти идеи предложены были в Институте физики Земли РАН в 1992 году. Понимание этого позволяет полностью изменить взгляды на сейсмический процесс.

Заметим, что роль водородной дегазации недооценивалась во многих процессах, в том числе связанных с формированием гигантских месторождений нефти и газа и восстановлением их резервуаров, которые нельзя объяснить биогенными моделями. Водородная дегазация может контролировать климатические процессы, изменения в биосфере и функционировании биоты.

Водородная дегазация сыграла злую шутку с проблемами физики землетрясений и их предвестниками. Сейчас уже понятно, что предвестников конкретных землетрясений нет и не могло быть. Однако их упорно искали и ищут, сопоставляя во времени и пространстве сейсмические события и возмущение какого‑то параметра.

Водородная дегазация изменяет состояние среды, делая ее непохожей ни на какие лабораторные модели. При прохождении переменного потока водорода через горные материалы, так же как и в металлах, происходят перестройки структуры, формируется газовая пористость, изменяются физико‑механические свойства. Общее следствие этих процессов – формирование внутреннего напряженного состояния. Оно проявляется в ползучести и изменении объема. Последнее возможно только выше границы Мохо из‑за действия литостатического давления, то есть в земной коре.

Непрерывность восходящего водородного потока, его изменчивость в пространстве, по глубине (!) и во времени отражаются в непрерывном изменении напряженного состояния среды. Это фиксируется в непрерывных вариациях различных ее параметров. Мы наблюдаем перенос водородным потоком дополнительной энергии из глубин вверх деформационными волнами диффузионной природы. Этот источник энергии в предельно энергонасыщенной внутриблоковой среде, ранее не учитываемый, стимулирует быстрые или медленные подвижки различных элементов относительно друг друга, то есть сейсмические акты малой и средней силы.

Ситуация на границах блоков (разломно‑блоковая структура платформ) и на границах плит (например, в зоне субдукции – «подныривания» литосферных плит океанической коры) несколько другая. За счет взаимодействия водорода с твердой фазой граничные структуры становятся аморфными, текстурируются, обеспечивая тем самым в некритических (фоновых) ситуациях  практически безбарьерный процесс скольжения, аналог сверхпластичности.

Фоновые и критические ситуации

Теперь необходимо было понять, как возникают критические ситуации и чем они отличаются от фоновых. Главная проблема здесь – способы мониторинга этих состояний.

Как сейчас осуществляется мониторинг среды? Ищут предвестники сильных землетрясений на основе мониторинга различных локальных параметров в поверхностном слое коры. Сам поверхностный слой не нагружен, расслоен, в нем наблюдается активная динамика различных флюидов. Как показал опыт, этот мониторинг не дает реальной оценки ситуаций. Однако  различные локальные возмущения параметров, оказывается, предшествуют сильнейшим событиям, происшедшим на расстояниях в сотни и тысячи километров.

Например, такие наблюдения проводились перед великим японским землетрясением 11 марта 2011 года на Камчатке. Камчатские коллеги были настолько уверены в реальности таких возмущений, что давали прогнозы сильных событий в широком диапазоне глубин на расстояния многих сотен километров. И они оправдывались.

Конечно, говорить о краткосрочном предупреждении населения было нельзя. Можно лишь отметить, что активизация поверхностного слоя дает нам предупреждение о возможной региональной опасности, не давая информации о вероятной эпицентральной зоне возможного события и возможного периода его проявления. Но и это уже много.

Нужно подчеркнуть, что наблюдалась реакция ненагруженного поверхностного слоя коры на пространственную активизацию водородной дегазации. Именно этот процесс контролирует динамические процессы в широком диапазоне глубин, в том числе глубокофокусных событий. Геологическая среда, насыщенная водородом, ведет себя в динамике как единое целое, она разнородна по глубине и пространству и представляет собой нечто, совсем непохожее на монолитную среду. Это целостная структура пространственно связанных элементов. Причем каждый элемент индивидуально испытывает вариации объема при диффузии переменного потока водорода через него и соседние элементы среды.

В целом среда испытывает колебательный режим на разных масштабных уровнях, который, по существу, контролирует сейсмический процесс: подвижки вдоль граничных структур различного ранга.

Уравнение геологической среды

Можем ли мы инструментальными методами фиксировать такой режим в среде, аналогов которой раньше не знали? Это нетрудно сделать. Но для этого мы должны использовать реальные измеряемые, контролирующую среду параметры, а не какие‑то измерения на поверхности, лишь отражающие протекающие процессы на глубине.

Во‑первых, на протекание тех или иных процессов указывает практически непрерывная слабая сейсмичность с измеряемыми энергетическими параметрами. Во‑вторых, каждый сейсмический акт излучает упругие волны, скорости которых являются структурно чувствительными параметрами и могут быть измерены.

Для непрерывного анализа состояния среды можно использовать решения разностного уравнения (это уравнение предложено профессором Олегом Новоселовым, МГТУ им. Н.Э. Баумана) – уравнение эволюции состояния объекта. Интересно, что при анализе динамики скоростей сейсмических волн мы контролируем среду по трассам длиной до 300 км. Такой анализ был проведен для зон субдукции Курило‑Камчатского региона и Японии.

Более тонкий анализ показывает, что в этих ситуациях проявляется циклический или шумовой характер колебательных движений большого числа элементов среды независимо друг от друга. Это указывает на потерю целостности системы, что может быть характерно для нелинейных систем. Это реальное фоновое состояние среды зоны субдукции. Оно наиболее возмущено, что совсем не похоже на лабораторные модели и лабораторное мышление, когда в фоновом режиме все должно быть спокойным!

Для периодов критических ситуаций характерно появление крупномасштабных колебательных движений. С точки зрения привычного мышления это устойчивый колебательный режим, и он должен быть достаточно спокойным. Однако в эти периоды происходили сильнейшие сейсмические события, такие как кроноцкое с магнитудой 7,8, симуширские события с магнитудами 8,0 и 8,2 и великое японское землетрясение с магнитудой 9,0. Причем анализ пространственного распределения сейсмичности позволяет в краткосрочном периоде указывать на положение будущей эпицентральной зоны.

Стратегия мониторинга

С физической точки зрения разномасштабный и непрерывный колебательные режимы отражают возбуждение всплывающих по направлению восходящей водородной дегазации, деформационных волн. Движущей силой сейсмичности являются процессы колебательного режима элементов среды. Они накладываются на весьма медленные тектонические движения блоковых систем. И процессы трещинообразования, как это опрометчиво полагают сейчас, здесь ни при чем.

Какова же может быть стратегия по краткосрочному предупреждению о сейсмической опасности в зоне субдукции Курило‑Камчатского региона? Продолжается регистрация различных полей в поверхностном слое коры материковой части. Независимо от этого на 7–10 сейсмических станциях проводятся расчеты для выбранных отдельных зон скоростей сейсмических волн. По ним оценивают состояние среды, то есть фоновое или со значительным отклонением от фонового состояния.

Тревога может быть объявлена после обнаружения вероятной эпицентральной зоны, если событие в ней может быть опасным для береговой инфраструктуры. Так, например, предупреждение для сильнейшего кроноцкого землетрясения можно было не объявлять из‑за отдаленности его эпицентральной зоны. Результаты этих работ публиковались в российских научных журналах.

Думаю, понятно, что, говоря о краткосрочном предупреждении, нужно иметь в виду объявление определенного периода опасности. Для кроноцкого и японского событий период опасности был около трех суток. Предупреждение о событии в Японии – оно произошло в океанической коре – с нашей точки зрения, нужно было бы давать через сутки после выделения эпицентральной зоны. Для симуширских событий период опасности для первого события был растянут более чем на 30 суток. А второе событие в рамках механики вообще не должно было быть.

Наблюдались случаи, когда эпицентральная зона проецировалась на материковую часть  Камчатки и остров Хонсю. Во всех случаях краткосрочное предупреждение зависит от близости возможной эпицентральной зоны к защищаемым объектам инфраструктуры, прежде всего крупным населенным пунктам.

Были случаи, когда центр эпицентральной зоны смещался на 1–2 градуса с океанической коры на материковую в течение нескольких часов. В других случаях в эпицентральной зоне происходили события средней силы. Таковы особенности среды и процессов в ней. В такой среде развивающиеся процессы не могут быть детерминированными.

Особенности переходов от фонового состояния к предкритическим и критическим еще предстоит изучать в реальных условиях, и на это, по‑видимому, не хватит времени одного поколения ученых. Для зон субдукции направления исследований по предупреждению о краткосрочной сейсмической опасности понятны, и осуществленные наработки могут быть реализованы в ближайшие годы. Причем событие уровня великого японского с большой вероятностью сейчас мы бы не пропустили.

Другая ситуация для разломно‑блоковых структур платформ. Представьте территорию от Восточного Китая до Западной Турции, включая зоны Индии, Средней Азии и Байкальского региона. Это пространственно связанная разломно‑блочная структура, где каждый из блоков испытывает независимые движения, контролируемые не только ближним, но и дальним окружением. Задачей же является одновременный мониторинг «локальных зон на различных масштабах» и пространственного движения всей разломно‑блоковой среды. Для этих целей также может быть использовано уравнение эволюции, однако параметры мониторинга еще прорабатываются.

Камчатка – федеральный полигон

В России управление проектом с условным названием «Землетрясения» отсутствует сейчас практически полностью. Но самое главное, нужно оставить в прошлом лабораторные представления о процессах в геологической среде. Необходимо забыть о долгосрочном прогнозировании и не тратить на это силы. Главные заботы – в краткосрочном предупреждении о сейсмической опасности и понимании физики процессов.

Мы имеем дело с объектом, с которым реально, на уровне экспериментальной физики, не работали. Камчатка представляется исключительной зоной для изучения сейсмотектонических процессов. Там соприкасаются опускающаяся океаническая плита и материковая. Они слабо друг с другом взаимодействуют, иначе мониторинг с материковой части был бы информативен для оценки ситуаций в океанической плите. Однако сильнейшие события на материковой части Японии, например в Кобе в 1995 году, были разрушительными. На материковой Камчатке также были такие события.

Поэтому Камчатка представляется хорошим федеральным полигоном, на котором можно отрабатывать принципы предупреждения о сейсмической опасности.