Поиск в базе сайта:
Прогноз землетрясений: состояние проблемы академик М. А. Садовский, кандидат физико-математических наук И. Л. Нерсесов icon

Прогноз землетрясений: состояние проблемы академик М. А. Садовский, кандидат физико-математических наук И. Л. Нерсесов




Скачать 133.23 Kb.
НазваниеПрогноз землетрясений: состояние проблемы академик М. А. Садовский, кандидат физико-математических наук И. Л. Нерсесов
Дата конвертации10.05.2015
Вес133.23 Kb.
КатегорияТексты



ПРОГНОЗ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ: СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Академик М. А. САДОВСКИЙ, кандидат физико-математических наук
И. Л. НЕРСЕСОВ


Проблеме прогноза землетрясений не везет. На протяжении многих лет возможность предсказывать землетрясения была предметом ехидных шуток, а по меткому выражению известного сейсмолога Ф. Пресса, еще и уделом астрологов, маньяков-любителей и искателей сенсаций. Следст­вием такого положения явилась крайняя осторожность в высказываниях ученых по поводу перспектив овладения этой проблемой.

Вместе с тем еще в 1911 г. на заре развития сейсмологии Б. Б. Голи­цын наметил ряд направлений исследований, следуя которым, по его мне­нию, можно приблизиться к успешному прогнозированию землетрясений. Он указывал на необходимость изучения медленных деформаций земной коры, изменения во времени упругих ее характеристик с помощью про­свечивающих сейсмических волн, изучения сейсмического режима, де­тального изучения минералогического состава подземных источников и их режима (речь, конечно, идет об источниках, расположенных в сейсмоак­тивных районах). Следует отметить, что эти идеи Б. Б. Голицына и сей­час используются во всех работах по прогнозу; существенно новым здесь является разве только включение в круг рассматриваемых вопросов элек­тромагнитных процессов.

Прежде всего нужно уточнить, что следует понимать под прогнозом землетрясений. В наиболее общем виде он включает определение места, силы и времени землетрясения (естественно, сильного). Отчасти пробле­мы места и в меньшей степени силы решаются методами сейсмического районирования, хорошо развитыми в Советском Союзе, однако надеж­ность их иногда оказывается недостаточной. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать возможность определения всех трех параметров.

Следует признать, что наши знания о природе очага самого землетря­сения пока еще ограничены. Наиболее распространена точка зрения, что землетрясение возникает в результате механического перемещения масс горных пород в коре и мантии Земли.

Небольшая группа исследователей допускает, что очаг землетрясе­ния — следствие физико-химических процессов, протекающих в коре и мантии, что его природа связана с фазовыми и полиморфными перехода­ми вещества Земли, а тектонические проявления землетрясения (под­вижки, деформации) — следствие этих процессов. На уровне существую­щих данных решить этот вопрос не просто.

62

^ М. А. САДОВСКИЙ, И. Л. НЕРСЕСОВ



Развивая систематические исследования очага землетрясения, служа­щие наиболее надежным путем овладения тайнами одного из опаснейших проявлений сил природы, мы не можем рассчитывать на скорый успех. Поэтому давно уже предпринимаются попытки использования косвенных путей, основанных, грубо говоря, на отыскании явлений, предваряющих землетрясения.

Так, можно предположить, как это и делает большинство сейсмологов, что в течение некоторого времени до сейсмической катастрофы в области будущего очага по тем или иным причинам происходит изменение физи­ческих параметров среды и в результате деформируется земная поверх­ность, изменяются магнитные и электрические свойства пород и пр. На этой стадии задача сводится к тому, чтобы оценить, по каким параметрам на земной поверхности наиболее эффективно изучать процессы в очаге будущего сильного землетрясения. Причем необходимо учитывать, как следует из общих соображений и выполненных расчетов, что величины, характеризующие все возможные изменения физических параметров сре­ды, будут очень быстро убывать не менее чем пропорционально второй степени расстояния. Естественно поэтому, что успех работ будет опреде­ляться тем, насколько близко к вероятным сейсмическим источникам удастся расположить точки наблюдения. Таким образом, для решения задачи прогноза необходимо находить места, где с наибольшей частотой происходят землетрясения хотя бы сравнительно малых энергий.

>




64 м>^ А. САДОВСКИЙ, И. Л. НЕРСЕСОВ


Природной лабораторией землетрясений в Советском Союзе является район междуречья рек Сурхоб и Хингоу в Таджикистане, который мы условно называем Гармским. Именно здесь Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта Академии наук СССР развернул исследования, связан­ные с разработкой методов прогноза землетрясений. Кроме того, Институт ведет работы в нижнем течении реки Нарын (связанные, в частности, с оценкой сейсмической опасности района строительства высотной пло­тины Токтогульской ГЭС), а также в Северном Тянь-Шане. Некоторые результаты проводимых исследований излагаются ниже.

^ Частотные закономерности. При обработке сейсмограмм землетрясе­ний обратило на себя внимание различие частотных составов поперечных волн слабых землетрясений, происходивших в период подготовки сильно­го толчка (форшоков) и после него (афтершоков). Частоты форшоков, как правило, оказывались заметно более высокими, чем частоты афтершо­ков (рис. 1). Для объяснения этого было сделано предположение, что область очага в период накапливания напряжений состоит из двух типов источников. В обычном спокойном режиме тектонического процесса про-

^ ПРОГНОЗ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ: СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

65

исходит непрерывное медленное движение. При этом имеет место как бы соскальзывание горных пород по тем или иным ослабленным зонам. В пе­риод подготовки сильного землетрясения нормальный процесс движения прекращается (затишье в области будущего очага явление довольно ха­рактерное и наблюдается достаточно часто). В это время сейсмические процессы проявляются главным образом в виде хрупкого разрыва пород. Именно данная стадия процесса характеризуется высокочастотным соста­вом колебаний.

Размер области существования высокочастотных толчков в период, не­посредственно предшествующий сильному землетрясению, по-видимому, тесно связан с силой готовящегося землетрясения и может служить так­же для оценки времени его возникновения. Правда, в суждении о време­ни возможного возникновения толчка следует быть весьма осторожным. Рис. 2 показывает степень разделения форшоковой и афтершоковой последовательности землетрясений по частотному критерию.

Весь процесс во временной последовательности показан на рис. 3. Бла­годаря удивительно четкому разделению предваряющих толчков по час­тотному признаку этот критерий может сравнительно легко быть автома­тизирован.

^ Механизм очагов землетрясений. Проводя сейсмические наблюдения на большом числе станций, мы имели возможность заняться изучением механизма очага землетрясения. В основном исследования проводятся применительно к сильным землетрясениям. В последние годы их стали использовать и для определения механизма слабых толчков. Однако обыч­но наблюдательный материал был довольно ограничен. Мы постарались перейти к массовой обработке данных с тем, чтобы на большом материале рассмотреть не только статику механизма, но попытаться оценить его из­менение во времени. Обработка проводилась как в Гармском районе так и в нижнем течении р. Нарын.

В результате возникающих в земной коре или мантии напряжений происходит подвижка, характеризуемая двумя системами осей напряже­ния — сжатия и растяжения, ориентацией плоскости и знаком движений. При этом условно считается, что знак движения определяется движением внутреннего крыла: при движении вверх он положительный, вниз — от­рицательный (см. рис. 2). Поскольку при заданной системе сил сохра­няется неопределенность в ориентации плоскостей разрывов, они даются в двух возможных вариантах. Важно, что двоякая ориентация плоскостей движения не влияет в обоих случаях на характер знака движения.

Пространственная система осей напряжений имеет определенные за­кономерности, однако они выявляются только в результате статистиче­ской обработки, причем не очень четко. Существенно лучше обстоит дело со знаками движений. Оказалось, что они подчинены четким простран­ственным закономерностям.

Именно там, где происходит смена знака движения в очагах, оказы­вается область, к которой приурочены сильные землетрясения. Это край­не важный результат, так как он позволяет совершенно по-новому подой­ти к сейсмическому районированию территории и, кроме того, дает воз­можность инструментально оценивать те места, где наиболее перспектив­ны работы по выборке методов прогноза времени землетрясений.

Детальный пример расчленения территории по признаку знака дви­жения для участка строительства Токтогульской ГЭС дан на рис. 2. Здесь довольно ярко видна приуроченность долины р. Нарын к зоне контакта двух блоков с разными знаками движения в очагах землетрясений.

Однако механизм очагов представляет интерес не только с точки зре­ния районирования территории. Дальнейшие исследования показывают,

66

^ М. А. САДОВСКИЙ, И. Л. НЕРСЕСОВ

что в районе подготовки землетрясений происходит заметная переориен­тация осей напряжений во времени.

Отношение скоростей и амплитуд. Заслуживают внимания выполнен­ные в Гармском районе работы по изучению отношения скоростей рас­пространения продольных и поперечных волн и отношения их амплитуд.

Используя достаточно густую здесь сеть сейсмических станций, мы по­пытались оценивать изменение скоростей продольных волн во времени. Полученные данные были мало утешительными.

На следующей стадии мы перешли к определению отношения скорос­тей продольных и поперечных волн. Нужно сказать, что эта величина может быть измерена на сейсмограммах с наибольшей точностью.

В результате обработки материалов прежде всего наметились области устойчиво пониженных значений отношения скоростей. Интересно, что именно к этим областям, совпадающим в большинстве случаев с областя­ми различного знака движений в очагах, приурочены сильные землетря­сения. Таким образом, уже другим методом мы получили новый способ районирования территорий.

i После того как нам удалось выявить средние характеристики отноше­ния скоростей в объеме, была сделана попытка изучить поведение отно­шения скоростей во времени. Оказалось, что аномальное изменение отно­шения скоростей продольных и поперечных волн происходит в области подготовки землетрясений 12—13-го классов во всех случаях их возникно­вения. При этом наблюдается следующая закономерность: чем сильнее землетрясение, тем большее время длится аномальное состояние (см. (рис. 3).

Изучение отношения скоростей также может быть легко автоматизи­ровано.

В этом явлении имеются неясности, которые мы пока объяснить не мо­жем. Дело в том, что отношение скоростей служит характеристикой среды, так как целиком должно зависеть от скоростного ее разреза. Вместе с тем эксперимент показывает, что отношение скоростей изменяется скачком при переходе от области подготовки землетрясения к окружающему объ­ему. Следовательно, этот эффект целиком связан с самим источником.

Поскольку определение механизма очага — занятие довольно трудоем­кое, была сделана попытка одновременно с изучением отношения скоро­стей оценить поведение отношения амплитуд продольных и поперечных волн во времени. Здесь мы также получили изменение отношений перед подготовкой сильного толчка. Вообще говоря, этот результат можно было предвидеть, опираясь на данные об изменении осей напряжений во вре­мени.

При подготовке сильного землетрясения поля напряжений и дефор­маций, возникающих в области будущего очага, могут распространиться и на земную поверхность. Поэтому значительное место в работах Инсти­тута физики Земли занимают наблюдения медленных движений земной коры и в особенности изучение связи ее наклонов с землетрясениями.

Медленные движения земной коры. Интересный результат получен с помощью наклономеров в Токтогульской штольне. На рис. 4 показано изменение наклонов перед двумя землетрясениями, возникшими вблизи аппаратуры. Одно очень слабое — 9-го класса (эпицентр в 2 км) и вто­рое— 12-го класса (в 5 км), силой до VI баллов. В обоих случаях хорошо видно изменение характера наклонов за несколько часов до землетрясе­ния. Показательно, что еще более сильное землетрясение, но на большем расстоянии от места установки аппаратуры не проявило себя сколько-ни­будь заметно на записях.

Результаты исследований в Северном Тянь-Шане также свидетельст-

^ ПРОГНОЗ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ: СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

67

вуют, правда менее четко, об аномальном ходе деформаций перед силь­ными землетрясениями в этом районе. Важно отметить, что здесь изме­нения деформаций перед землетрясениями происходят на больших рас­стояниях от очага.



Систематические геодезические наблюдения проводятся нами сравни­тельно недавно, поэтому пока идет накопление материала. В Гармском районе выделен ряд участков, претерпевающих весьма интенсивные дви­жения, которые достигают десятка миллиметров и более в год. Начато изучение горизонтальных движений. Пока мы не уловили четких связей между проявлением сейсмичности и изменением геодезических парамет­ров. Необходимы более частые повторные съемки и существенное расши­рение самих наблюдений.

Таким образом, даже сравнительно ограниченный комплекс работ по изучению медленных движений земной коры показывает, что это бес­спорно перспективное направление, и при широкой сети полигонов и на­блюдательных пунктов такие исследования могут давать весьма ценные данные для оценки момента возникновения землетрясений.

Электромагнитные наблюдения. Из проведенных до сих пор экспери­ментов известно, что сам по себе магнитный эффект мал. Поэтому особое значение имеет выбор надежной аппаратуры для полевых работ и мето­дика измерений. Вместе с тем следует сказать, что в Зангезури (Арме­ния) после землетрясений летом 1968 г. вблизи эпицентра была установ-

68

^ М. А. САДОВСКИЙ, И. Л. НЕРСЕСОВ

лена обычная вариационная станция. Такое расположение по отношению
к эпицентру и наличие магнитных масс в этом районе являлось благо­
приятным обстоятельством для проведения наблюдений. По имеющимся
сведениям, за несколько часов перед более сильными толчками вполне
четко регистрируется изменение магнитного поля. Это очень обнадежи­
вающий результат. •



Интересный комплекс работ по изучению электропроводности горных пород на больших базах выполнен группой магнитологов Института фи­зики Земли. Нужно отметить, что попытка получить изменение электро­проводности в естественном электромагнитном поле перед землетрясения­ми не увенчалась особыми успехами. Поэтому было предложено исполь­зовать поле, искусственно возбуждаемое генератором. Этот уникальный метод для целей прогноза нигде не применялся, судя по литературе. Мощ­ный генератор позволяет получать сигнал, значительно превышающий естественные шумы, и тем самым создает качественно другие условия для проведения экспериментов.

Генераторная группа располагалась так, что в одном направлении от нее приемные установки максимально приближались к очагам землетря­сений, а в другом,— наоборот, удалялись. Полученные данные были весь­ма показательными. В районе наблюдений за полтора года произошло три землетрясения 12-го класса, сила которых в эпицентре достигала V— VI баллов. Во всех случаях наблюдалось характерное изменение электро­проводности на установке, находившейся вблизи эпицентров (рис. 5). В противоположном направлении практически не получено осязаемого результата. Этот продолжающийся эксперимент указывает на локальность самого эффекта и, следовательно, требует для его использования при прогнозе времени землетрясений весьма тщательного выбора места на­блюдений. Кроме того, он доказывает существование значительного из­менения электропроводности горных пород в связи с землетрясениями.

Таким образом, при соответствующей организации наблюдений элек­тромагнитных предвестников вполне возможно получить важные геофи­зические характеристики явлений, предваряющих сильные землетрясения.

Наблюдения, проведенные на Сурхобском разломе, вертикальные пе­ремещения пород по которому составляют 11 —13 мм в год, показали, что

^ ПРОГНОЗ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ: СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

69

сопротивление горных пород меняется за год в пределах 10% своего зна­чения.

Наконец, судя по опыту Ташкентского землетрясения, весьма ценным материалом для прогноза землетрясений могут служить результаты гео­химических наблюдений в скважинах. Напомним, что содержание радона в одной из термальных скважин, пробуренных в Ташкенте, менялось, в эти изменения довольно четко предваряли возникавшие афтершоки. Ве­роятно, было бы важно более полно изучать характеристики скважинных источников, включая измерения минералогического состава воды, ее га­зонасыщенности, электропроводности и др. Пока в этом направлении мы не имеем определенных результатов, но ставить такие работы необходи­мо. По-видимому, нужно пробурить специальную скважину в одном из сейсмоактивных районов, организовав на ней широкий комплекс наблю­дений.

Геохимический анализ в районе тектонических нарушений также может оказаться полезным для прогноза землетрясений, если его вести си­стематически.

Итак, сейсмологические, деформационные, наклономерные, электро­магнитные и скважинные наблюдения позволяют вскрыть в геофизиче­ских процессах некоторые особенности, связанные с землетрясениями.

Отметим, что большинство из полученных в Гармском районе резуль­татов являются оригинальными. В настоящее время в литературе анало­гичных по методике работ не встречается.

В заключение мы позволим себе несколько пофантазировать. Если бы оказалось возможным перейти от изолированных точечных наблюдений к централизованным с помощью дистанционной системы передачи геофизи­ческой информации в один пункт (технически это сейчас вполне реально), то можно было бы перейти от элементов прогноза пост фактум к настоя­щему прогнозу. Даже при ручной обработке всей информации мы могли бы уже сейчас иметь достаточно оперативный прогноз землетрясений — за несколько месяцев и часов. При вводе же информации с пунктов на­блюдений в ЭВМ надежность и оперативность прогноза существенно воз­росла бы.

Бесспорно, многое из изложенного требует весьма тщательной стати­стической проверки, однако уже имеющийся материал наблюдений пока­зывает, что мы можем уверенно рассчитывать на успешное решение проб­лемы хотя бы в первом приближении. Ясно, что для достижения практи­ческих результатов прогноза нужны время и затрата значительных средств на организацию и проведение множественных наблюдений в ряде сейсмических районов страны. Необходимо существенно увеличить объем материала таких исследований для обеспечения надежной статистической обработки и получения количественных зависимостей между наблюдае­мыми аномалиями и моментами возникновения сильных толчков. Требу­ется выявление локальных и общих связей, увязка их с сейсмотектониче­скими картинами изучаемых регионов и т. д. Однако, как уже было ска­зано, сейчас нет сомнений в возможности решения проблемы прогноза землетрясений, и нам ясно, каким путем надо идти.

УДК 550.341.5

Похожие:




©fs.nashaucheba.ru НашаУчеба.РУ
При копировании материала укажите ссылку.
свазаться с администрацией