Как предсказывают землетрясения

Земле присуще одно прискорбное свойство: она временами уходит из-под ног, и не всегда это связано с результатами бодрой вечеринки в дружеском кругу. От сотрясений почвы встает дыбом асфальт, рушатся дома. Да что там дома?! — катастрофические землетрясения могут вздымать или разрушать горы, осушать озера, разворачивать реки. Жителям домов, гор и побережий в таких ситуациях остается только одно: пытаться уцелеть, насколько это окажется возможным.

Люди сталкивались с буйством земной тверди примерно с тех времен, когда спустились на эту твердь с деревьев. Видимо, к началу человеческой эпохи относятся и первые попытки объяснить природу землетрясений, в которых обильно фигурируют подземные боги, демоны и прочие псевдонимы тектонических движений. По мере того как наши предки обзаводились постоянным жильем с прилагаемыми к нему крепостями и курятниками, урон от сотрясений почвы под ними становился больше, а желание задобрить Вулкана или хотя бы предсказать его немилость — сильнее.

Впрочем, разные страны в древности сотрясались разными сущностями. Японская версия отводит ведущую роль живущим под землей гигантским сомам, которые иногда шевелятся. В марте 2011 года очередное рыбье буйство привело к сильнейшему землетрясению и цунами.

Земная кора находится в очень медленном, но непрерывном движении. Громадные блоки напирают друг на друга и деформируются. Когда напряжения превышают предел прочности, деформация становится неупругой — земная твердь ломается, а пласты смещаются вдоль разлома с упругой отдачей. Впервые эту теорию предложил почти сто лет назад американский геофизик Гарри Рейд, изучавший землетрясение 1906 года, почти полностью разрушившее Сан-Франциско. С тех пор учеными было предложено множество теорий, по‑разному детализирующих ход событий, но первооснова осталась в общих чертах той же.

Многообразие версий, увы, не увеличивает объем знаний. Известно, что очаг (по-научному — гипоцентр) землетрясения представляет собой протяженную область, в которой и происходит разрушение горных пород с выделением энергии. Ее объемы прямо связаны с размерами гипоцентра — чем он больше, тем сотрясения сильнее. Очаги разрушительных землетрясений простираются на десятки и сотни километров. Так, очаг Камчатского землетрясения 1952 года имел длину около 500 км, а Суматранского, вызвавшего в декабре 2004 года самое страшное в современной истории цунами, — не менее 1300 км.

Размеры гипоцентра зависят не только от накопленных в нем напряжений, но и от физической прочности горных пород. Каждый отдельный пласт, оказавшийся в зоне разрушения, может как треснуть, увеличивая масштаб события, так и устоять. Конечный результат в итоге оказывается зависимым от множества невидимых с поверхности факторов.

Сейсмическое районирование территории позволяет предсказать силу возможных в данном месте подземных толчков, пусть даже и без указания точных места и времени. Полученную карту можно сравнить с климатической, вот только вместо атмосферного климата на ней отображен сейсмический — оценка возможной в данном месте силы землетрясения.

Исходной информацией служат данные о сейсмической активности в прошлом. К сожалению, история инструментальных наблюдений за сейсмическими процессами насчитывает немногим более ста лет, а во многих регионах — того меньше. Некоторую помощь может оказать сбор данных из исторических источников: описаний даже античных авторов обычно достаточно, чтобы определить балльность землетрясения, поскольку соответствующие шкалы построены на основе бытовых последствий — разрушения зданий, реакции людей и т. п. Но и этого, конечно, недостаточно — человечество еще слишком молодо. Если в каком-то регионе за последние пару тысяч лет не было десятибалльного землетрясения, это еще не значит, что оно не произойдет там в следующем году. Пока речь идет о рядовом малоэтажном строительстве, с риском такого уровня можно мириться, но размещение АЭС, нефтепроводов и прочих потенциально опасных объектов требует явно большей точности.

Проблема оказывается решаемой, если от отдельных землетрясений перейти к рассмотрению потока сейсмических событий, характеризующегося определенными закономерностями, в том числе плотностью и повторяемостью. В этом случае можно установить зависимость периодичности землетрясений от их силы. Чем слабее землетрясения, тем больше их количество. Эта зависимость поддается анализу математическими методами, и, установив ее для какого-то промежутка времени, пусть небольшого, но обеспеченного инструментальными наблюдениями, можно с достаточной надежностью экстраполировать ход событий через сотни и даже тысячи лет. Вероятностный подход позволяет накладывать приемлемые по точности ограничения на масштабы будущих катастроф.

В качестве примера того, как это делается, можно привести действующий сейчас в России комплект карт сейсмического районирования ОСР-97. При его составлении были по геологическим данным выявлены разломы — потенциальные источники землетрясений. Их сейсмическая активность была смоделирована с применением весьма непростой математики. Виртуальные потоки сейсмических событий были затем сверены с реальностью. Получившиеся зависимости можно было относительно уверенно экстраполировать в будущее. Итогом стала серия карт, показывающих максимальный балл событий, могущих повторяться на данной территории с периодичностью от 100 до 10000 лет.

Сейсмическое районирование дает возможность понять, где «подложить соломку». Но, чтобы свести урон к минимуму, хорошо бы знать время и место события точно — кроме оценки «климата» иметь и прогноз «погоды».

Самый впечатляющий краткосрочный прогноз землетрясения был сделан в 1975 году в китайском городе Хайчен. Ученые, наблюдавшие за сейсмической активностью несколько лет, объявили тревогу 4 февраля около 14 часов. Жители были выведены на улицы, а магазины и промышленные предприятия закрыты. Землетрясение с магнитудой 7,3 произошло в 19:36, город подвергся значительным разрушениям, но человеческих жертв было мало. Увы, этот пример пока остается одним из очень немногих.

Накапливающиеся в земной толще напряжения приводят к изменениям ее свойств, и их в большинстве случаев вполне можно «поймать» приборами. Таких изменений — сейсмологи называют их предвестниками — на сегодня известно несколько сотен, и их перечень год за годом растет. Нарастающие напряжения земли изменяют скорость упругих волн в них, электропроводность, уровень подземных вод и т. д.

Проблема заключается в том, что предвестники капризны. Они ведут себя по‑разному в разных регионах, представая перед исследователями в разных, подчас причудливых сочетаниях. Чтобы уверенно сложить «мозаику», надо знать правила ее составления, но полной информации у нас нет и не факт, что когда-то будет.

Исследования 1950 -1970-х показали корреляцию содержания радона в подземных водах в районе Ташкента с сейсмической активностью. Содержание радона перед землетрясениями в радиусе до 100 км изменялось за 7−9 дней до толчка, вначале увеличиваясь до максимума (за пять дней), а затем снижаясь. Но аналогичные исследования в Киргизии и на Тянь-Шане устойчивой корреляции не показали.

Упругие деформации земной коры приводят к относительно быстрому (месяцы и годы) изменению высоты местности. Эти изменения уже давно и надежно «ловятся». В начале 1970-х американские специалисты выявили поднятие поверхности возле городка Палмдейл в Калифорнии, стоящего прямо на разломе Сан-Андреас, которому штат обязан репутацией сейсмически беспокойного места. На попытки отследить развитие событий и вовремя предупредить были брошены немалые силы, деньги и оборудование. К середине 1970-х подъем поверхности вырос до 35 см. Было отмечено также уменьшение скорости упругих волн в земной толще. Наблюдения за предвестниками продолжались много лет, стоили немалых долларов, но… катастрофы не произошло, состояние местности постепенно вернулось к норме.

В последние годы наметились новые подходы к прогнозированию, связанные с рассмотрением сейсмической активности на глобальном уровне. В частности, о прогностических успехах сообщали камчатские сейсмологи, традиционно находящиеся на «переднем крае» науки. Но отношение к прогностике ученого мира в целом все же будет правильнее охарактеризовать как осторожный скептицизм.