Обоснование Г.А. Гамбуцевым программы исследований по прогнозу землетрясений

Основные представления Г.А. Гамбурцева о состоянии и перспективах работ по прогнозированию землетрясений были сформулированы в работах [1,2]. Первая из этих работ относится к 1954 г. Вторая представляет собой рукопись доклада, подготовленного для заседания Президиума АН СССР в 1955 г. Все основные идеи высказаны уже в первой из этих работ. Мы будем следовать ее тексту, приводя необходимые цитаты иногда в сокращенном виде, но без искажений.

В первой части работы [1] излагаются в сжатой форме представления Г.А.Гамбурцева о механизме возникновения землетрясений. Он пишет: ” Землетрясение – одно из проявлений тектонической жизни земной коры и подкорового вещества. В процессе этой жизни развивалась дифференциация по прочности отдельных участков земной коры. Земная кора расчленялась на относительно более прочные участки – ” блоки ” земной коры – и относительно менее прочные участки – ослабленные зоны, образующиеся в области сочленения соседних блоков при их относительном движении. Крупные блоки могут состоять из нескольких блоков и внутренней системы ослабленных зон...... Они подвергаются последующим разрушениям легче, чем блоки, и в них, как правило, располагаются очаги землетрясений. Глубинные зоны сочленения блоков земной коры (ослабленные зоны)…….будем называть сейсмическими швами ”.

Эти представления составляют основу науки о землетрясениях и сегодня. В работах М.А. Садовского и др. к вопросам блокового ( дискретного ) строения земной коры было привлечено особое внимание. Изучено распределение блоков горных пород по размерам в диапазоне масштабов от микрон до сотен километров. Статистическая проверка показала, что дискретное распределение размеров блоков со средним отношением соседних преимущественных размеров близко к значению 3,3. Исследованиями ряда российских и зарубежных ученых установлено, что распределение геологических разломов подчиняется фрактальному строению. Оказалось, что пространственное распределение землетрясений в некоторых сейсмоактивных районах, отвечая иерархическому разломному строению земной коры, носит черты самоподобия для разного масштабного уровня магнитуд. Так, по данным В.И.Уломова, межузловые расстояния между пересечениями разломов в Средней Азии закономерно возрастают с ростом магнитуды землетрясений, причем последние преимущественно располагаются в междоузлиях.

В работах автора с коллегами было показано, что сильное землетрясение возникает после того, когда в области его очага накопится столько разрывов от более слабых землетрясений, что среднее расстояние между соседними из них примерно в 3 раза превышает средний размер их разрывов. Соответствующий прогностический параметр был назван концентрационным критерием сейсмогенных разрывов.

Г.А.Гамбурцев следующим образом описывал процесс накопления и разрядки тектонических напряжений: ” При медленных относительных смещениях соседних блоков происходит вначале медленное и неравномерное для разных участков шва накопление сдвиговых напряжений, ограничиваемое течением вещества в силу его пластичности, а затем быстрое разрешение напряжений в том месте шва – очаге землетрясения, где напряжения превзошли предел прочности ”.

Сопоставим это положение с описанием основных фаз процесса подготовки землетрясения в предложенной в 80-х годах И.П. Добровольским так называемой модели консолидации. Автор пишет: ” Фаза регулярного состояния. Главная черта – непрерывное деформирование регионального или глобального масштаба. В блоковой среде это будет проявляться наиболее ярко в виде движения по границам блоков. Различие в конфигурации блоков и их взаимодействие приводит иногда к ослаблению движения по одним разломам и усилению по другим....Фаза консолидации.. В некоторый момент времени между двумя блоками возникает локальное зацепление. ... Соединение этих блоков упрочняется. К нему могут присоединяться другие блоки и в результате образуется некоторая конструкция из нескольких блоков, находящихся в достаточно прочной связи, и образующая как бы единый консолидированный блок – консолидированную область” ...Фаза разрушения. Консолидированная область является тем особым объемом в земной коре, разрушение которого магистральным разрывом и вызывает землетрясение”. Не правда ли? Налицо большое сходство между двумя вышеописанными определениями.

В изложении Г.А. Гамбурцева землетрясение происходит тогда, когда напряжения превзошли предел прочности горных пород. Здесь, по-видимому, упущена одна из принципиальных особенностей сейсмического процесса – длительность действия приложенных напряжений. Следствием этого является возникновение землетрясения при постоянных и даже уменьшающихся напряжениях, подчеркнутая в модели лавинно-неустойчивого трещинообразования, созданной в 70-х годах В.И. Мячкиным и др. Отсюда же следует и возможность расчета времени появления землетрясения на основе применения кинетической концепции прочности. Не рассмотрена и другая особенность – изменение внутрипорового давления, влияющего на прочность, и послужившая основой для дилатантно-диффузной модели подготовки землетрясения, предложенной также в 70-х годах американскими учеными. Впрочем, Г.А. Гамбурцев, очевидно, не ставил своей целью детально исследовать процессы подготовки землетрясений, а общие контуры его представлений о сейсмическом процессе были, безусловно, верны.

В задачу настоящей статьи не входит анализ идей Г.А.Гамбурцева по вопросам сейсмического районирования. Однако без некоторых замечаний мы не можем обойтись. Григорий Александрович пиcал: ” Сейсмическое районирование служит в основном для определения характера антисейсмических мероприятий... В связи с этим основной задачей в данной области является долгосрочный прогноз (на 100-200 лет вперед) балльности наиболее сильных землетрясений в функции места. Решение этой задачи требует абсолютного и количественного подхода к прогнозу землетрясений .... Действительно, при проведении практических антисейсмических мероприятий вряд ли следует принимать в расчет землетрясения, вероятность возникновения которых за отрезок времени в 100-200 лет ничтожно мала”.

Как видим, Г.А.Гамбурцев не отрывал задачу сейсмического районирования от задачи долгосрочного прогноза землетрясений. К сожалению, эта идея была позже значительно утеряна. Создававшиеся карты сейсмического районирования были практически лишены временного аспекта, а оценки балльности на период в 1000 и даже 10 тысяч лет не соответствуют требованиям строительства большинства гражданских и промышленных объектов. Только сейчас, в рамках выполнения ГНТП России ” Глобальные изменения природной среды и климата ” создана вероятностная карта сейсмического районирования. Но и она лишена элементов долгосрочного прогноза на период существования нынешних построек, т.е. на ближайшие десятилетия.

Рассмотрим теперь последовательно соображения Г.А.Гамбурцева об изыскании методов прогноза времени сильных землетрясений. В работе [1] он перечисляет следующие направления.

” 1. Весьма вероятно появление некоторых особенностей медленных движений земной коры перед сильными землетрясениями. Действительно, перед разрывом мест сцепления двух блоков земной коры внутри сейсмического шва может ускориться процесс деформации, что приведет к изменению хода наклонов земной поверхности или положения ее уровня”.

Последующими работами, в том числе на созданном по инициативе Г.А.Гамбурцева Гармском прогностическом полигоне, это положение было подтверждено. Но выявились и принципиальные трудности использования этого метода в практическом прогнозе, связанные, в первую очередь, с невоспроизводимостью аномалий и их мозаичным распределением по площади. Форма и амплитуда предвестниковых наклонов и деформаций главным образом определяется местными геологическими условиями. Ю.О.Кузьминым выявлены так называемые ” параметрические аномалии ”, целиком вызванные изменениями вещества в разломных зонах. Поэтому для практического применения данного метода нужна синхронная регистрация этого вида предвестников в сотнях (если не тысячах) пунктов. С появлением спутниковых технологий появляется возможность слежения за вариациями поля деформаций земной поверхности на площадях в тысячи квадратных километров. А именно такие области охватываются деформациями при подготовке землетрясений с магнитудой 6 и выше.

” 2. Можно думать, что перед крупным разрывом, т.е. перед сильным землетрясением, в зоне его очага возникают весьма малые предварительные разрывы, проявляющиеся на земной поверхности в виде слабых сейсмических толчков или сейсмического гула ”.

Безусловным подтверждением этого положения является форшоковая активность. Именно на основе регистрации этого явления было в реальном времени предсказано знаменитое Хайченское землетрясение 1975 г. в Китае. Оно предварялось более чем 500 предварительными слабыми землетрясениями, начавшимися за 4 суток до главного толчка. В последнее время предложены способы количественного расчета времени сильного землетрясения в тех случаях, когда вблизи его очага проходит серия последовательных толчков. По соответствующим уравнениям определяется критическое время, когда экспоненциально нарастающая форшоковая активность приводит к неустойчивости (разрушению) среды. Однако большие форшоковые серии наблюдаются редко. Беда заключается в том, что до сих пор не найдено эффективного способа отличия одиночных форшоков от фоновых сейсмических событий. Из лабораторных опытов автора следует, что форшок должен сопровождаться ускоряющимся крипом берегов сейсмоактивного разлома. Однако пока не создано надежных методов слежения за крипом в глубине Земли.

” 3. Можно ожидать, что перед крупным землетрясением будет существовать определенная закономерность в перемещении (миграции) очагов слабых землетрясений, а также в механизме мигрирующих очагов”.

Явление миграции, безусловно, установлено последующими работами. Оно было даже успешно использовано для долгосрочного прогноза Алайского землетрясения 1978 г., выполненного А.А.Никоновым. Работами сотрудников Гармского полигона прослежены волны миграции и небольших землетрясений. Скорость миграции в среднем составляет десятки километров в год. Есть, правда, основание полагать, что миграция сейсмичности вызвана более общей причиной – волнами деформации, распространяющимися вдоль ослабленных зон в земной коре. В таком случае, они не связаны прямо с процессом подготовки будущего землетрясения, что ограничивает применение данного типа наблюдений в прогностических целях.

Менее повезло второму из предполагавшихся Г.А.Гамбурцевым эффектов – закономерному изменению в механизмах очагов предваряющих главный толчок более слабых сейсмических событий. Первые поразительные результаты резкого изменения ориентации механизмов очагов перед сильным землетрясением, полученные в 60-х годах в Гарме, не дали полностью воспроизводимых результатов при последующих исследованиях в этом и других сейсмоактивных районах, по-видимому, ввиду невысокой точности определения механизмов. Сейчас, с развитием мировой телесейсмической цифровой сети наблюдений возможности оперативного (практически, в реальном времени) и более точного определения механизмов очагов резко повысились. Это дает надежду на опробование данного прогностического метода на новой экспериментальной базе.

” 4. Возможно общее повышение механических напряжений в земной коре в районе будущего землетрясения ”.

Это предположение не проверено до сих пор. К сожалению, не найдено способа измерения напряжений в глубинах земли. Косвенные сейсмологические и геофизические методы основываются на лабораторных или шахтных данных об изменении соответствующих упругих, электрических, магнитных и др. параметров горных пород при вариациях приложенных к образцу или массиву механических напряжений. Однако, свойства образца и приповерхностного массива горных пород не адекватны свойствам вещества в глубинах Земли, длительное время подвергающегося высоким термодинамическим нагрузкам и воздействию жидкой или газообразной фазы. По нашему мнению, решение вопроса о надежной оценке напряженного состояния в очаге будущего землетрясения было бы выдающимся успехом в области физики очага и прогноза землетрясений. Весь опыт механики разрушения показывает, что макро-неустойчивость наступает после перехода реологической диаграммы напряжение-деформация через максимум. После этого катастрофа развивается самопроизвольно без подкачки внешней энергии. Лабораторные эксперименты на больших блоках горных пород говорят о том, что краткосрочные предвестники наблюдаются именно на этой стадии деформирования.

” 5. Можно ожидать, что сейсмический шов (или даже система швов) усилит сейсмическую активность за некоторый период времени перед землетрясением ”.

К настоящему времени выяснено, что это предположение оказалось верным только частично. По обобщенным натурным наблюдениям, подкрепленным данными лабораторного моделирования, перед землетрясением наблюдается следующая последовательность стадий сейсмического режима: а) первичная активизация, б) сейсмическое затишье, г) вторичная (форшоковая) активизация. Григорий Александрович не выделил в своих заметках возможность сейсмического затишья на заключительном этапе подготовки землетрясения, хотя явление временного успокоения известно перед различными типами катастроф. По-видимому, он старался наметить только наиболее общие тенденции развития сейсмического процесса. В этом смысле его предположение о предварительном усилении сейсмической активности, безусловно, справедливо. Акт макро-разрушения невозможен без предварительных этапов разрушения на меньшем масштабном уровне в любой неоднородной по прочности среде (в том числе, и земной коре), подвергающейся длительному воздействию нагрузок.

” 6. Возможны изменения скоростей распространения сейсмических волн в зоне очага будущего землетрясения ”.

Последовавшие в 60-70-е годы экспериментальные исследования в сейсмоактивных районах вроде бы подтвердили это предположение. Первый удивительный результат был получен на Гармском полигоне – бухтообразное изменение отношения скоростей продольных и поперечных волн, порожденных слабыми сейсмическими событиями в очаговой области будущего сильного землетрясения. Эти результаты были, как будто, подтверждены на американском континенте и послужили толчком для создания моделей подготовки землетрясений. Однако последующая проверка не оправдала первоначальные оптимистические ожидания. С другой стороны, были предприняты попытки установить предвестниковые вариации во временах пробега сейсмических волн, вызванных искусственными источниками и проходящими через очаговую зону. И здесь первые результаты были обнадеживающими. Со временем выяснилось, что изменения во временах пробега действительно существуют, но вызваны они региональными вариациями напряженно-деформированного состояния земной коры, а не изменениями в очаговой зоне готовящегося землетрясения. Использование мощных вибраторов с высокой стабильностью источника колебаний позволило довести точность измерения невязок скоростей до 1 миллисекунды, но не прибавило пока наших знаний о процессах в очагах.

” 7. Возможны некоторые изменения электрических и магнитных полей, наблюдаемых на поверхности земли ”.

Действительно, аномальные вариации этих полей были обнаружены в различных сейсмоактивных районах. В процессе таких измерений выяснилось, что аномалии в большинстве случаев приурочены к выходящим на поверхность геологическим разломам, т.е. их пространственное положение не совпадает с эпицентральной зоной будущего землетрясения. Причиной большинства электрических аномалий и части магнитных выступают электрокинетические явления, вызванные изменением скорости фильтрации подземных вод при вариациях поля напряжений. Магнитные аномалии в местах выхода изверженных пород обусловлены пьезомагнитным эффектом. В этом случае удается решать обратную задачу оценки изменений тензора тектонических напряжений по геомагнитным наблюдениям. Обнаружен ряд предваряющих землетрясения аномалий в электромагнитном поле радиоволнового диапазона, физический механизм которых пока не ясен.

Интересно, что Григорий Александрович не уделил внимания возможности существования гидрогеологических предвестников, которые сейчас кажутся одними из самых надежных. С движением подземных вод связаны также не только вышеупомянутые электрические и магнитные аномалии, но разнообразные геохимические предвестники.

Обобщая свои представления, Г.А. Гамбурцев писал в 1955 г. [1]: ” К сожалению, до настоящего времени ни по одному из перечисленных пунктов не удалось получить определенных результатов. Это связано со многими причинами. Главные из них следующие:

1. Большинство из предвестников землетрясений, по всей видимости, будет проявляться лишь в эпицентральной области будущего землетрясения; поэтому они будут наблюдаться очень редко.

2. Многие из возможных предвестников будут сильно вуалироваться фоном помех постороннего происхождения”.

По прошествии 40 лет мы можем сказать, что в обоих этих выводах содержится ценное зерно истины, но действительность оказалась много сложнее. В 60-80-е годы во многих странах мира были обнаружены тысячи предвестников сильных землетрясений в различных геофизических полях, т.е. они наблюдались не редко, а, наоборот, подозрительно часто. Более того, они регистрировались не только в эпицентральных областях будущих землетрясений, но даже на расстояниях в сотни километров от эпицентра. Для среднесрочных предвестников, наблюдавшихся за годы и месяцы до сильного землетрясения, были установлены обобщенные зависимости между временем их появления и магнитудой ожидаемого землетрясения. В то же время четких закономерностей не удалось найти для краткосрочных (дни – часы) предвестников.

Постепенно выяснилось, что большинство краткосрочных предвестников порождается не в очаге землетрясения, а возникает в результате влияния на земную кору космических и метеорологических факторов. Одним из следствий этого воздействия является повышение напряжений, приводящих к “срабатыванию” очагов землетрясений в тех случаях, когда последние уже близки к стадии неустойчивости. То есть, мы имеем дело с триггерным эффектом. А предвестников, идущих из очага, оказалось в полном соответствии с гипотезой Григория Александровича действительно очень мало.

Таким образом, следует различать два класса предвестников: а) возникающие в очаге и отражающие последовательные стадии развития неустойчивости; б) возникающие вне очага и отражающие быструю перестройку геофизических полей в сейсмоактивном регионе в результате воздействия космических, метеорологических и других факторов. В результате интерференции различных внешних полей (выступающих в данном случае как помехи), возникают также аномалии, не имеющие ничего общего с землетрясениями. Ввиду того, что большинство полей внешнего происхождения имеет квазипериодическую структуру, количество ” ложных” аномалий можно уменьшить приемами фильтрации.

Практика исследований по прогнозу землетрясений показала, что высказанные 40 лет назад идеи Г.А. Гамбурцева были в основном правильными. Современное понимание сейсмического процесса и установленные закономерности появления и распространения предвестников позволяют в очень кратком виде следующим образом сформулировать состояние обсуждаемой проблемы.

В сейсмоактивной зоне одновременно готовится несколько очагов землетрясений, располагающихся, как правило, в местах концентрации напряжений на искривлениях, пересечениях и окончаниях активных разломов, а также в местах зацепления контактов соседних блоков земной коры, движущихся с различными скоростями. Задача заключается в том, чтобы в первую очередь по данным о прошлых землетрясениях, вариациях сейсмического режима, распределении геофизических полей и современных движений оценить напряженно-деформированное состояние в разных участках сейсмоактивной зоны, выявить местонахождение этих очагов и определить степень их близости к стадии неустойчивости (долгосрочный прогноз – десятилетия, годы). В последнее время установлено, что вариации слабой сейсмичности на отдельных интервалах геотектонического процесса проявляют корреляцию с земными приливами и сезонными изменениями уровня подземных вод. Рассчитанные при этом вариации напряжений не превышают нескольких миллибар, что на несколько порядков меньше существующих тектонических напряжений. Это свидетельствует о том, что значительные области сейсмоактивных районов находятся в метастабильном состоянии. В этих условиях определить последовательность ” срабатывания” потенциальных очагов будущих землетрясений становится трудноразрешимой задачей.

Необходимо организовать слежение за выявленными ” кандидатами ” на будущее землетрясение с помощью пространственно распределенной сети наблюдений с целью выявления комплекса среднесрочных (годы месяцы) и краткосрочных (дни – часы) предвестников. Оценочные расчеты автора показывают, что комплексные пункты наблюдения должны располагаться на расстояниях порядка 50 км друг от друга с учетом конкретных геолого-тектонических условий для того, чтобы обнаружить предвестники землетрясения с магнитудой больше 6.

Важным элементом прогностических работ должно быть выявление и наблюдение триггерных эффектов внешнего происхождения, способных в результате своего воздействия на напряженное состояние и прочность пород Земли спровоцировать землетрясение.

Из-за неоднородности строения и напряженного состояния земной коры, а также ввиду одновременного влияния на очаги многих факторов внутриземного, космического и метеорологического происхождения прогноз места, времени и силы очередного землетрясения носит вероятностный характер.

Не исключено, что лучшим средством уменьшения потерь от землетрясений станет в будущем искусственное их инициирование целенаправленным воздействием от искусственного источника (механические колебания, электромагнитное поле, изменение внутрипорового давления и т.п.). Такого рода воздействия могут применяться в удобное время и после предварительных мероприятий по уменьшению ущерба ко всем очагам-кандидатам, находящимся по данным среднесрочного и краткосрочного прогноза в близкой к неустойчивости стадии своего развития. Естественно, такого рода решение проблемы станет возможным только после проведения многочисленных лабораторных, теоретических и пробных натурных экспериментов.

В заключение можно сказать, что надежды Г.А.Гамбурцева на успешное решение проблемы прогноза землетрясений получили подтверждение в части осуществления среднесрочного прогноза (за месяцы и первые годы) до грядущего сильного сейсмического толчка. Последний яркий пример – среднесрочный прогноз землетрясения на Камчатке 1997 года с магнитудой 7.7, выполненный независимо учеными из нескольких академических организаций.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гамбурцев Г.А. Состояние и перспективы работ в области прогноза землетрясений. Избранные труды. Изд. АН СССР, М., 1960, С. 427-435.

2. Гамбурцев Г.А. Прогноз землетрясений. Избранные труды. Изд. АН СССР, М., 1960, С. 436-443.

Обсудить на форуме | опубликовано: 7.11.06