Прогноз землетрясения

Ни одно стихийное бедствие не происходит так неожиданно, как землетрясение. Своеобразной его особенностью является то, что оно разрушает в основном искусственные постройки, возведенные рукой человека. Конечно, во время сильных землетрясений происходят горные обвалы, оползни, иногда запруживаются реки, но такие явления относительно редки, ограничены небольшими по площади зонами и обычно приурочены к крутым склонам гор, где нет человеческих жилищ.

Степень опасности землетрясения существенно менялась в зависимости от уровня и условий развития человеческого общества. Когда первобытный человек добывал себе пищу охотой, он не строил постоянных жилищ, поэтому землетрясения не были для него угрозой. Не страшны землетрясения и скотоводам: их переносные войлочные юрты выдерживали любую сейсмическую катастрофу,

Издавна на Земле существовала определенная зональность в распределении той опасности, которую таило для людей землетрясение. Эта зональность контролировалась в первую очередь климатической зональностью.

В тропическом поясе, где люди круглый год живут в бамбуковой или тростниковой хижине, землетрясения не страшны. Чумы и яранги жителей приполярных стран, построенные с помощью жердей и звериных шкур, не реагируют на подземные толчки. Несильно влияют подземные удары и на постройки умеренной лесной зоны планеты. Рубленые деревянные дома очень устойчивы и разрушаются (но не обваливаются) лишь при очень сильных землетрясениях.

Только один климатический пояс Земли — область пригодных для пахоты степей и оазисы орошаемого земледелия во всю меру ощущают ужас сейсмических катастроф. Земляные постройки и здания из кирпича, которые преобладают в этом поясе, больше всего подвержены сейсмическим ударам. Даже толчки средней силы разрушают стены каменных зданий, что приводит к гибели находящихся в доме людей. Только в течение последних 100—120 лет в связи с бурным ростом городов во всех климатических поясах произошли такие землетрясения, как Лиссабонское (1755), Сан-Францисское (1906), Мессинское (1908), Токийское (1923), Ашхабадское (1948), подобных которым, за исключением территории Восточного Китая, в античное время и в средние века почти не было.

Случись Сан-Францисское землетрясение на 100 лет раньше, оно почти не причинило бы разрушений. На месте этого города в 1806 г. располагались лишь деревянные строения небольшой русской колонии.

В ближайшем будущем рост старых городов и строительство новых будут идти еще интенсивнее. Значит ли это, что пропорционально возрастет и опасность землетрясений? Отнюдь нет. Землетрясения будут все менее и менее страшны, ибо технические средства уже сейчас позволяют возводить жилые здания любой этажности и строить промышленные сооружения любых размеров которым не угрожают сильнейшие землетрясения. Сейчас от землетрясения страдают главным образом давно построенные здания, возведенные без применения специальных антисейсмических поясов и других усиливающих прочность конструкций.

Борьба с землетрясением началась давно. Человек столкнулся с двумя проблемами: как сделать здание таким, чтобы оно не разрушалось от подземных ударов, и как установить районы, где происходят землетрясения и где сильных подземных ударов не бывает. Попытка ответить на эти вопросы привела к возникновению сейсмологии — науки, изучающей землетрясения и поведение искусственных сооружений при подземных ударах. Инженеры-строители начали разрабатывать конструкции жилых зданий и промышленных сооружений, способных выдержать сейсмическую катастрофу. В горах Тянь-Шаня, на реке Нарын, построена Токтогульская высотная плотина и гидростанция на 1200 МВт. Гидротехнический узел возведен с таким расчетом, что выдержит даже катастрофические землетрясения.

Чтобы определить сейсмоопасные районы, необходимо точно знать место, где происходят землетрясения. Наиболее полные данные о подземном ударе можно получить, регистрируя приборами упругие волны, появляющиеся в земле при землетрясении. Сейсмологи научились определять координаты происшедшего землетрясения, глубину его очага, силу подземного удара. Это позволило составить карту эпицентров землетрясений, наметить зоны, где возникали подземные толчки той или иной силы. Сопоставляя эпицентры землетрясений с геологическим строением территории, геологи выделили те места, где землетрясений еще не было, но, судя по сходному строению с местами, подвергавшимися подземным ударам, возможны в недалеком будущем. Так родился прогноз места возникновения землетрясений и их максимальной силы. Наша страна — первая в мире, где карта сейсмического районирования, как ее официально называют, была впервые утверждена в качестве документа, обязательного для всех проектирующих и строительных организаций. В сейсмически опасных районах строители должны возводить лишь такие жилые и административные здания и промышленные объекты, которые бы выдержали землетрясение показанной на карте силы. Разумеется, карты прогноза землетрясения не могут считаться совершенными. С течением времени по мере накопления данных они пересматриваются и уточняются. На рис. 30 представлен один из вариантов такой карты, составленной в Институте физики Земли АН СССР.

Карта сейсмического районирования показывает, в каких местах нашей страны и какой максимальной силы возможны землетрясения. Для проектирующих организаций и строителей такая карта служит важным и необходимым документом, по для населения, живущего в сейсмоопасной зоне, куда важнее знать, когда именно произойдет землетрясение. Заметим, что в последние годы этот вопрос все больше и больше интересует и строителей. Кроме того, проектирующим организациям необходимо знать, происходят сильные землетрясения с периодичностью раз в тысячелетие или же в 20 лет. В первом случае усиливающие сооружения антисейсмические конструкции следует применять лишь при строительстве некоторых долговременных объектов (если это, конечно, не жилые помещения). Во втором — для всех построек.

Прогноз времени возникновения землетрясения подразделяется в настоящее время на долгосрочный и на выявление предвестников, за несколько часов или минут предупреждающих о надвигающейся катастрофе.

Долгосрочный прогноз основывается на следующих физических предпосылках. В упрощенной схеме процесс подготовки и проявления землетрясений можно себе представить как накопление и перераспределение в некоторой области земной коры потенциальной энергии — энергии упругих напряжений. В момент землетрясения эта энергия частично или полностью высвобождается. Для того чтобы произошло следующее землетрясение, нужна новая порция энергии; следовательно, должно пройти время, пока энергия накопится. В одних случаях это несколько дней или месяцев, но чаще десятки или даже сотни лет. Как говорилось, в Ашхабаде в 1948 г. была разрушена мечеть Аннау, простоявшая более 600 лет.

На основе детального изучения сейсмичности Курило-Камчатской зоны С.А. Федотов предложил приблизительный долгосрочный прогноз землетрясений по пятилетиям. В прогнозе содержатся вероятностные оценки проявления сильных землетрясений, выделены районы, где в настоящее время возможны катастрофические сотрясения. Позже такой же прогноз был разработан для Калифорнии (США). В частности, было показано, что разрушительные землетрясения с магнитудой 8 могут происходить раз в 100 лет, а более слабые — раз в 20 лет. Хотя такой прогноз не решает проблемы полностью, он помогает составлять карты сейсморайонирования с приблизительной оценкой повторяемости землетрясений.

Еще важнее обнаружить предвестников землетрясения, непосредственно извещающих о приближающейся сейсмической катастрофе. Давно замечено, что животные чувствуют приближение подземного удара. За несколько минут до землетрясения домашний скот, собаки, кошки, крысы проявляют беспокойство, стараясь выбраться из закрытых помещений. Перед землетрясением в Неаполе покинули свои жилища муравьи. За два дня до землетрясения в прибрежных районах Японских островов неоднократно появлялась необычная рыба шестиметровой длины — усатая треска, живущая на больших глубинах. По японской мифологии, виновницей землетрясений является огромная рыба «намадзу», которая якобы щекочет своими усами морское дно. Изображения ее издавна наклеивались на окна как заклятие от подземных толчков. Японские ученые считают, что это суеверие было порождено появлением у берега легендарной рыбы накануне крупных землетрясений.

Все эти факты свидетельствуют о том, что подземному толчку предшествуют какие-то физические явления. По если их чувствуют животные, то они могут быть зафиксированы и приборами. Предполагается, что в области будущего очага землетрясения происходит изменение физических параметров среды. В результате деформируется земная поверхность, изменяются упругие, магнитные, электрические свойства пород и т.д. Успех эксперимента зависит прежде всего от того, насколько близко будут расположены приборы от эпицентра прогнозируемого землетрясения, поскольку величины, характеризующие возможные параметры, убывают пропорционально квадрату расстояния от очага. Поэтому для решения задачи прогноза необходимо находить места, где землетрясения происходят достаточно часто.

Поиски предвестников землетрясения ведутся сейчас в нескольких направлениях. Пожалуй, одной из первых попыток «предсказать» землетрясение было изучение так называемых форшоков — слабых толчков, иногда предшествующих сильному подземному удару.

Частоты колебаний форшоков заметно выше, чем автершоков (толчков, следующих за сильным землетрясением). Длительность проявления этих высокочастотных толчков, возможно, как-то связана с силой готовящегося землетрясения и может помочь установить момент его возникновения. К сожалению, это происходит не всегда. Известно большое число землетрясений, когда сильный удар приходил совершенно неожиданно. Все же не исключено, что для отдельных типов землетрясений изучение характера мельчайших потрескиваний, фиксируемых только очень чувствительными приборами, может дать сведения о приближающейся катастрофе.

Следующий путь обнаружения предвестников землетрясений — исследование медленных движений земной коры — наклонов земной поверхности. Наклономеры различных систем, установленные более 25 лет назад на специальных бетонированных площадках или в штольнях, пробитых в скалах, фиксируют малейшие колебания поверхности Земли. Иногда перед подземным толчком были обнаружены «бури» наклонов. Как будто бы предвестник обнаружен! Однако в большинстве случаев наклономеры молчали. На показания данных приборов влияет множество факторов, в частности изменение атмосферного давления, длительно происходящее проседание фундамента и т.д. Говорить о прогнозе с помощью наклономеров как надежном способе преждевременно, но некоторые результаты все же обнадеживают. Обнаружено изменение наклонов в Токтогульской штольне перед двумя землетрясениями, возникшими вблизи аппаратуры. Одно — очень слабое (эпицентр 2 км) и второе — (эпицентр 5 км) силой до 6 баллов. В обоих случаях четко видно изменение характера наклонов за несколько часов до землетрясения.

В последнее время начал разрабатываться еще один метод прогноза землетрясений. Подземные удары представляют собой разрядку возникающих в земной коре напряжений. Очевидно, перед землетрясением такие напряжения возрастают. Это выражается в изменении скорости распространения упругих волн, отношения скоростей распространения продольных и поперечных волн и отношения их амплитуд. Эксперименты, проведенные в Гармском районе Памира, позволили получить некоторые обнадеживающие результаты. Наблюдается следующая закономерность: чем сильнее землетрясение, тем дольше длится аномальное состояние.

Наконец, недавно наметилось еще одно перспективное направление — изучение изменений магнитного поля Земли. Постоянное магнитное поле нашей планеты состоит из двух частей. Основная часть поля обусловлена процессами в земном ядре, другая — вызывается горными породами, получившими намагниченность еще за время своего образования. Магнитное поле, создаваемое намагниченностью горных пород, изменяется с изменением тех напряжений, в которых находятся горные породы в земной коре.

Подготовка землетрясения, как мы уже отмечали, состоит в накапливании напряжений в каком-то участке земной коры, что неизбежно меняет магнитное поле на земной поверхности. Удалось обнаружить резкое изменение локального векового хода магнитного поля после землетрясения. Произведены опытные оценки величины изменения магнитного поля, которое должно произойти в момент землетрясения. Опыты с искусственными взрывами подтвердили правильность этих расчетов.

За последние годы обнаружены и изменения в магнитном поле незадолго до землетрясения. За 1 час. 6 мин. до начала разрушительного землетрясения, происшедшего на Аляске в марте 1964 г., было отмечено возмущение в магнитном поле Земли. Изменение градиента магнитного поля между двумя пунктами, вблизи которых произошел ряд землетрясений, наблюдалось в 1966 г. Эти исключительно интересные результаты нуждаются еще в проверке, которая подтвердила бы связь наблюдаемых явлений именно с землетрясениями.

Ведутся также поиски предвестников землетрясений путем исследования электропроводности горных пород в сейсмических районах. Замечено, что в некоторых местах землетрясения иногда сопровождаются грозовыми разрядами с молниями. Следовательно, сейсмическое напряжение каким-то образом связано с электрическим полем. В Японии, например, существует древняя традиция предсказывать землетрясения по необычному появлению молний при ясном небе.

Наконец, судя по опыту Ташкентского землетрясения, важным индикатором предстоящего сильного толчка является изменение содержания радона в подземных водах. За некоторое время до толчка заметно увеличивается его концентрация. Недавно обнаружена связь между землетрясениями и извержениями гейзеров (периодических извержений горячей воды и пара в некоторых вулканических районах). Оказалось, что в Йеллоустонском национальном парке (США) за 2—4 года перед каждым землетрясением интервалы между извержениями гейзеров уменьшаются, а после подземного толчка снова увеличиваются.

Мы остановились довольно подробно на прогнозе землетрясений, так как это — наиболее неожиданное и сложное природное явление. Опасность других возможных катастроф (гигантских волн цунами, извержений вулканов или падения крупных астероидов) уже сейчас сравнительно невелика и с каждым 10-летием будет резко уменьшаться, поскольку об их приближении мы можем знать заранее. Но в последние годы выяснилось, что человеческая деятельность может вызвать подземный толчок. В США, в штате Колорадо, военное ведомство закачивало на глубину в 3 км воду, в которой были растворены устаревшие отравляющие вещества. Через шесть недель в этом районе произошло первое за 70 лет землетрясение, затем толчки стали повторяться. По-видимому, нагнетаемая под большим давлением вода способствовала сдвигу пород по старым разломам. Когда перестали закачивать воду, землетрясения постепенно прекратились. Этот факт послужил основанием для разработки оригинального метода предотвращения сильного землетрясения. Если обводнение трещин способствует землетрясению, то с помощью поочередной закачки воды в разные участки крупного разлома можно путем серии слабых спровоцированных толчков снять существующие в Земле напряжения и тем самым предупредить катастрофическое землетрясение.

На практике этот метод означает следующее: в избранном месте разлома бурят три скважины на расстоянии примерно 500 м друг от друга. Из крайних скважин выкачиваются подземные воды, чтобы «запереть» сброс в этих двух точках. Затем под давлением закачивается вода в среднюю скважину: происходит «миниземлетрясение», и в глубинных породах снимается напряжение. Когда же выкачивается вода и из средней скважины, весь участок становится безопасным, по крайней мере на определенное время.

Такая обработка крупного разлома потребует бурения около 500 скважин по 5 км глубиной каждая.

Слабые землетрясения возникают и в районах, где незадолго перед этим были созданы крупные водохранилища. Дополнительный вес воды водохранилища оказывает давление на горные породы и тем самым создает условие для возникновения подземных толчков. Возможно, этому способствует также проникновение воды по трещинам на глубину, что облегчает смещение пород по разрывам.