Землетрясения и вулканы: неизбежные угрозы природных катаклизмов
«Землетрясение и вулкан – это части одного из величайших феноменов, повелевающих миром». Чарльз Дарвин
В опубликованном в начале года докладе Национального совета по разведке США «Глобальные тенденции – 2040: Мир с возрастающими противоречиями» обоснованно утверждается, что на формирование стратегии и тактики мировых держав будут активно влиять экономика, демография, окружающая природная среда и технологии. Однако, при рассмотрении факторов, определяющих решения мировых держав, многообразие окружающей нас природной среды сводится в этом докладе, в основном, к рассмотрению экологических проблем сокращения посевных площадей из-за деградации земель и декарбонизации атмосферы. При этом даже не упоминается возможность реально существующей угрозы масштабных природных катаклизмов (землетрясений, вулканизма и цунами), воздействие которых, судя по известным историческим фактам, играло порой не только заметную роль в изменении климата, но и приводило к гибели отдельных государств.
Между тем в мире ежегодно происходит около 500 тысяч землетрясений. Примерно пятая часть из них ощущается населением, и около сотни землетрясений вызывают фиксируемые разрушения и человеческие жертвы. С землетрясениями генетически связаны порождаемые ими цунами, оползни, снежные лавины, наводнения и сели. Зоной наиболее мощных землетрясений на нашей планете считается территория так называемого «Тихоокеанского огненного кольца», на которую приходится до 90 процентов мировых землетрясений и около 75 процентов действующих вулканов. Вторая по величине такая зона – Альпийско-Гималайский сейсмический пояс, на долю которого приходится от 5 до 6 процентов мировых землетрясений и 17 процентов самых мощных из них.
Вулканические кратеры среди лавовых полей Исландии.
Из серии зафиксированных в прошлом и текущем столетиях гигантских подземных ударов особенно запомнились землетрясения и цунами, которые произошли в Италии (1908 г.), на Камчатке и Курильских островах (1952), на Аляске (1969), в Гватемале (1976), Китае (1920, 1976, 2008), на Суматре (2010) и Гаити (2010), в Чили (1960 и 2010) и Японии (1923, 2011). На территории СССР, кроме известных Ашхабадского (1929 и 1948), Ташкентского (1966) и Спитакского (1988) землетрясений, оставили свой след Андижанское (1902), Кеминское (1911), Хаитское (1949), Муйское (1957), Газлийское и Дагестанское (1970, 1976, 1984) землетрясения.
Не меньшую опасность представляют вулканы. Некоторые из них в прошлом были причиной катастрофических климатических похолоданий, получивших название «год без лета». Целесообразно кратко упомянуть вулкан Тоба (остров Суматра) с кальдерой площадью 1775 кв. км, извержение которого 72 тысячи лет назад доставило на поверхность 2800 кубических километров расплавленных пород; высочайший вулкан Европы Эльбрус, последнее извержение которого 1700 лет назад сопровождалось лавинами и селями, а пепел и вулканические бомбы разлетелись в радиусе до 700 км (практически до Астрахани); новозеландский супервулкан Таупо, калифорнийский вулкан Лонг-Велли и ряд других. Извержения этих вулканов, как и крупнейшие в современной истории проявления активности других их собратьев, неоднократно были причиной многолетних проявлений голода, болезней и смерти миллионов жителей нашей планеты.
В России известно 233 действующих, спящих и потухших вулканов. Большинство из них (в том числе более 40 вулканов, активных в прошлом и текущем столетиях) расположены на территории Камчатки и Курильских островов. Потухшие и «спящие» вулканы известны на Кавказе и на Чукотке, в Якутии, Приморье и в Японском море, в районе озера Байкал, в Тыве и Карелии. В целом на Земле существует не менее четырех наиболее опасных «спящих» вулканов, которые могут проснуться в любой момент и привести к катастрофе глобального масштаба. Это Фудзияма, Йеллоустонская кальдера, Флегрейские поля близ Неаполя и подводная кальдера Кикай к югу от острова Кюсю.
Особенности природного механизма землетрясений и вулканической деятельности
В целом землетрясения можно условно подразделить на четыре категории: тектонические, вулканические, обвальные и антропогенные. Обвальные землетрясения возникают как результат падения весомых антропогенных или космогенных объектов. Антропогенные – вызываются подземными и наземными взрывами, сопровождают добычу нефти, газа, угля и других видов минерального сырья, стимулируются растущими нагрузками строительной индустрии.
Самые разрушительные из всех – подземные толчки тектонического происхождения.
Большинство выводов о причинах землетрясений базируются на основе теоретических предположений американского геофизика Генри Филдинга Рида, который полагал, что очаг образуется в результате разрывной деформации пород под действием накопившейся в них упругой энергии. Вместе с тем не стоит забывать мнение одного из основателей геологии Чарльза Лайеля, который полагал, что «первопричина вулканов и землетрясений – одна и та же» и что «она связана с выделением тепла и химическими реакциями на разных глубинах внутренней области земного шара».
Как известно, тепловой баланс Земли в основном слагают энергия солнечного излучения, радиогенное тепло распада радиоактивных химических элементов, энергия гравитационной дифференциации вещества ядра, мантии и литосферы, энергия приливного трения и замедления вращения нашей планеты. Судя по результатам двухсотлетнего изучения землетрясений и вулканических процессов, самая характерная особенность упомянутых выше источников энергии – их распределенный по всей массе земных недр характер воздействия на общий температурный режим недр планеты и отсутствие механизма или способа их концентрации для резко ударного (взрывного) проявления этой энергии в конкретных точках земных недр. Вместе с тем, пригодная для этих целей энергия должна быть практически неисчерпаемой, высоко концентрируемой и высвобождаемой со скоростью взрыва. Она должна обладать способностью быстро накапливаться и подпитываться дополнительными порциями энергии в промежутках между сейсмическими толчками и вулканическими проявлениями.
По мнению Арье Гилата и Александра Вола, которое разделяет автор, на эту роль, вероятней всего, подходит энергия экзотермического (взрывного) превращения химических веществ и слагающих их химических элементов, мобилизуемых в процессе водородно-гелиевого «дыхания» недр Земли. Очаги сейсмической и вулканической активности формируются над локальными зонами и каналами просачивания и скопления глубинных первичных водорода и гелия, «складированных» в гидридном ядре Земли. Инъекции экзотермального «газового дыхания» недр избирательно преодолевает мантию и астеносферу, взрывами, тектоническими нарушениями и плавкой образуют проходы в верхней мантии, астеносфере и литосфере для газов, флюидов и магмы в очаги вулканов и землетрясений.
Необходимо отметить, что в перечне химических элементов литосферы и гидросферы, водород занимает второе месте (вслед за кислородом). Его высокое содержание установлено в термальных газах вулканов, сипах (газовых струях) рифтовых зон океанов, в газах угольных бассейнов и кимберлитовых трубках. Водород и гелий – основные первичные «кирпичи» нашей Вселенной, «складированные» в ядре нашей планеты, служат поставщиками энергии мантийных плюмов, землетрясений и вулканов.
Мантийные плюмы, которые в образном сравнении представляются как «зажженные папиросы», прожигающие передвигаемую над ними «бумагу» (литосферу), образуются в зонах активного водородно-гелиевого дренажа недр. Магматические очаги мантийных плюмов, которые формируются в результате присущего водороду и гелию экзотермического «дросельного эффекта», поставляют магму и энергию для вулканов. Полагаю, что причины землетрясений и их энергетический баланс носят более сложный, комплексный характер. При этом взрывной характер ювенильных водорода и гелия дополняется постоянно генерируемой тепловой энергией «дроссельного эффекта» этих газов и энергией гравитационной перестройки недр Земли.
Существует несколько моделей очага землетрясений. Условно «твердый» геоид Земля обладает сложной иерархической структурой, в которой наличие многочисленных слоев и блоков обеспечивает определенную ротационную неустойчивость земной поверхности, отдельных тектонических плит и участков недр. Существующие в недрах вихревые потоки, для которых типичны перемещения массы и повороты отдельных блоков, повышают общую энергонасыщенность недр. Такие представления составляют основу ротационной волновой модели очага землетрясения.
Н. В. Шебалиным предложена модель очага, базирующаяся на представлениях о формируемых в недрах «структурных зацепах», препятствующими смещению пород по тектоническим нарушениям. Предполагается, что именно срыв – разрушение «зацепа» является мгновенным и необратимым процессом, который приводит к образованию землетрясения. В. И. Мячкиным и другими сейсмологами разработана модель лавинно-неустойчивого трещинообразования, в соответствии с которой предполагается, что в условиях энергетической неоднородности в породах очага землетрясения образуется большое количество нарастающих как лавина трещин, которые в итоге объединяются в один главный разрыв, вдоль которого происходит разрядка накопившихся напряжений.
Еще совсем недавно считалось неоспоримой истиной утверждение, что землетрясения с магнитудой равной девяти (М=9) маловероятны, поскольку горные породы не могут накопить (без разрушения) требуемую для этого энергию. Тем не менее, наша Земля неоднократно содрогалась от таких «маловероятных потрясений»: в 1952 году на Камчатке (М=9,0), в 1957-м и 1964-м на Аляске (М=9,1), в 1960-м и 2010-м в Чили (М=9,5), в 2004-м в Индонезии (М=9,2) и в 2011-м в Японии (М=9,0). В Чили, например, в 1960 году землетрясение магнитудой 9,5 с очагом, расположенном на глубине 59,4 километра, выплеснуло энергию, эквивалентную взрыву 2670 мегатонн тринитротолуола (ТНТ), которая в тысячи раз превышает энергию испытанной на Новой Земле самой крупной водородной бомбы («Царь-бомба», 50 мегатонн ТНТ).
Зафиксированные GPS смещение береговой линии в районе городов Сантьяго и Консепсьон на 30 сантиметров и сантиметровые сдвиги средней части Южноамериканского континента к западу, а также подвижки поверхности в районе Буэнос-Айреса могли произойти только в результате макровзрыва и последовавших за ним серии других взрывов – 49 афтершоков, которые как гиганский вибратор обеспечили наблюдаемую подвижность пород Южно-Американского континента. Утверждения многих ученых и специалистов о том, что указанные всплески подземной энергии – результат разрешения физико-механических дислокаций пород литосферы, на наш взгляд, представляются маловероятными. Требуется иное объяснение подобным сфокусированным выбросам чудовищной энергии.
Катастрофические взрывы вулканов до сих пор объясняются некоторыми специалистами только как прорыв накопившихся газов, водяного пара и лавы через «запечатанный» породой и окаменевшей лавой кратер. Если бы это действительно было так, то тогда самым сильным должен быть первый взрыв в начале извержения, разрушающий породы, перекрывающие магматическую камеру. Между тем, гигантский взрыв вулкана Тамбора в 1815 году с энергией в 1012 Дж, эквивалентный взрыву 24 миллиардов тонн ТНТ, произошел спустя семь месяцев после начала вулканической активности этого вулкана, продолжавшейся 15 месяцев. Чудовищный взрыв вулкана Кракатау 27 августа 1883 года произошел через три месяца после начала его слабой взрывной активности. Начальные скорости части обломков пород превышали 8 км/сек.
Вместе с тем широко известно, что землетрясения и вулканические извержения сопровождаются значительными выделениями гелия, водорода и других газов. Непрерывный процесс дегазации Земли обеспечивает транзит водорода и гелия из ядра к поверхности литосферы. Выделяемые ими в процессе «дроссельного эффекта» тепло, а также энергия экзотермических химических реакций формируют пиромагматические восходящие потоки и пузыри магмы (плюмы), которые проплавляют мантию и литосферу. При этом между водородом и кислородом, водородом и углеродом (с образованием взрывоопасного метана), а также в других экзотермических реакциях синтеза образуются H2O, SO2, H2SO4, CO2 , H2S, HF и другие соединения. Возникающие при их взаимодействии и экзотермических реакциях взрывы неизбежно заканчиваются тектонической перестройкой недр и земной поверхности. При этом вулканические извержения и сопровождающие их сотрясения вулканов можно рассматривать как особый тип приповерхностных землетрясений, при которых гипоцентр выходит на земную поверхность. Энергию вулканических процессов, как и сопровождающие их землетрясения, обеспечивает газовое дыхание Земли.
Прогноз землетрясений и активизации вулканов
Основу методики прогноза землетрясений и вулканической деятельности составляют текущие сейсмонаблюдения и накопленные данные предыдущих исследований. При этом учитываются установленные еще в XIX веке Алексисом Перре закономерности о приуроченности землетрясений (частоты их проявления) к новолуниям и полнолуниям и о том, что частота землетрясений возрастает при максимальном приближении Луны к Земле.
В процессе исследования территориального распределения эпицентров землетрясений и вулканов установлено, что основная их масса приурочена к сравнительно узким субмеридианальным поясам сейсмической и вулканической активности: Тихоокеанскому, Срединно-Атлантическому и Восточно-Африканскому, а также к субширотному Средиземноморскому, совпадающими с зонами глубинных разломов Земли.
Именно в этих зонах (в дополнение к осуществляемому геофизическому мониторингу сейсмических возмущений) проводится с помощью средств дистанционного зондирования тепловая съемка поверхности в инфракрасном диапазоне, осуществляются наблюдения за уменьшением глубины гипоцентров афтершоков («всплыванием» очагов землетрясений), осуществляется контроль за изменениями уровня и химического состава подземных вод, активностью термальных источников и гейзеров, проводятся наблюдения за поведением животных и рыб, катастрофическими миграциями змей и земноводных, контролируется объем эманаций радона, регистрируются шум и звуковые сигналы, электромагнитные излучения, изменение концентрации тепловых нейтронов на поверхности Земли, наблюдения за рассеянным свечением и шаровыми молниями. Одновременно осуществляются наблюдения за разуплотнением поверхностного слоя литосферы, лунными и солнечными приливами, скачками атмосферного давления3; восходящими потоками газового дыхания недр, изменениями показателей силового, магнитного и электрического поля, изменениями физико-химических и физико-механических свойств пород.
На базе собранных данных о землетрясениях планеты за последние 4,5 тысяч лет и извержениях вулканов за последние 12 тысяч лет А. В. Викулин (2011) совместно с другими авторами определил интервалы повторяемости землетрясений и время миграции их очагов. При этом рассчитана продолжительность основного сейсмического периода То, равного 195 +/- 6 лет и намечены кратные ему периоды в 388 +/- 4 лет (2 То) и 789 +/- 9 лет (4 То).
Установлено, что наибольшие по амплитуде периоды извержения вулканов имеют продолжительность 198 +/- 17 лет, 376 +/- 12 и 762 +/- 17 лет, которые близки периодам землетрясений7.
Пик сейсмической и вулканической активности планеты приходится на область с координатами 120° в.д, и 20–40° с.ш., совпадающей с зоной с максимальным градиентом изменения высот геоида (от +60–75 м до -75–90 м). Уступающая ей по активности территория второго максимума (90° з.д. и 10–20° ю.ш.) расположена на обратной стороне Земли. Она приходится на зону наименьших градиентов высот геоида. Именно в этой зоне произошло самое сильное в ХХ веке Чилийское (1960 г.) землетрясение с магнитудой 9,5.
Грядущий апофеоз сейсмодатчиков
Интересно, что современная аппаратура сейсморазведки, которая сегодня эффективно используется при поисках и разведке месторождений нефти, газа и других полезных ископаемых, впервые была создана и применялась только для фиксации вибрации недр при землетрясениях. Первый сейсмоскоп ирландского инженера Роберта Маллета в 1846 году зафиксировал колебания почвы от взрыва заряда черного пороха. Дальнейшее преобразование механических колебаний недр в записываемый сигнал электромагнитного сейсмографа завершил в 1906 году российский ученый Б. Б. Голицын. Через 25 лет в мире работало 350 сейсмических станций. В наши дни их число измеряется тысячами.
Возникшая на базе практического применения сейсмодатчиков сейсморазведка превратилась в эффективный геофизический метод поиска полезных ископаемых. Сегодня на вооружении только одной компании «ГЕОТЕК Сейсморазведка» находятся более 80 сейсмостанций, десятки вибраторов (невзрывных источников сейсмосигналов) и около 300 тысяч сейсмоприемников. В дополнение к традиционным кабельным станциям для работ на суше и на море вводятся в эксплуатацию более совершенные нодальные (безкабельные) телеметрические системы.
Модернизированные миниатюрные модели сейсмоприемников с встроенным молекулярно-электронным сверхчувствительными датчиками, снабженные аккумулятором и приемниками сигналов глобальных навигационных систем (ГЛОНАСС, GPS, Бэйдоу), оборудованные системой накопления и беспроводной передачи накопленной информации, используются сегодня не только в геологоразведке.
Существующий комплекс современных геофизических методов (гравиметрия, сейсморазведка, магниторазведка и электроразведка) позволяет получать детальную объемную модель вулкана и даже определить место размещения питающей вулкан или очаг землетрясения подземного газового солитона («газовой трубы») – одного из основных источников эндогенных процессов.
В связи с этим отдельного внимания заслуживает дальнейшее совершенствование аппаратурного обеспечения прогноза водородной (протонной) дегазации недр, в процессе которой значительно меняется гравитационное поле Земли (прогноз землетрясений) и радикально уничтожается озоновый слой атмосферы (прогноз озоновых аномалий), а также создание и внедрение более совершенных и приемлемых по цене сейсмодатчиков.
Зоной тотального использования портативных сейсмодатчиков в перспективе должны стать все крупные экологически опасные охраняемые объекты (АЭС, АТЭС, ГРЭС и др.), мосты и плотины, все без исключения объекты наземного высотного строительства, а также сооружаемые в недрах объекты подземного городского хозяйства (торговые центры, переходы, туннели, метро, системы водообеспечения, теплоснабжения и канализации, линии связи и электрические кабельные траншеи и др.). Сейсмодатчики целесообразно также использовать при создание периметра строгой охраны на объектах государственной важности, на трассах газо- и нефтепроводов, в зоне НПЗ, заводов СПГ, газокомпрессорных станций и ветровых электростанций.
Развитие аппаратурного обеспечения сейсмоаппаратуры позволяет наметить и другие вероятные сферы ее применения. В том числе при оборудовании сейсмодатчиками дорог и транспортных средств без водителей. Полагаю, что в принципе возможно применение сейсмодатчиков в технологии создания не только сейсмокода любого вида техники, но и персонального человеческого «сейсмопортрета» (сейсмозаписи шагов), который так же индивидуален и неповторим, как отпечатки пальцев.
Осуществляемая техническая революция, цифровизация информации, эффективное совершенствование геофизической аппаратуры и линий связи позволяет ускорить достижение прорывных успехов в прогнозе, к сожалению, неизбежных природных катастроф.
В заключении целесообразно подчеркнуть, что выполнение задачи по сбережению народа России и связанных с этим мер по сохранению благоприятной окружающей среды, определенных Стратегией национальной безопасности РФ11, требуют более активного создания системы эффективного прогноза негативных процессов, опасность которых в наши дни не уменьшилась. В 2020 году, по данным Геологической службы США (USGS), в мире произошло 13 654 землетрясения магнитудой свыше 4. В текущем году в Италии не прекращаются извержения Этны, проснулся Стромболи, активизировались вулканы на Камчатке и Курилах, в Индонезии, Исландии, Коста-Рике, Республике Конго и на Филиппинах. Землетрясения и вулканы по-прежнему остаются относительно безответным вызовом современной цивилизации.
Комментарии 0
