Горные породы выделяют химические сигналы перед разрушением: учёные научились предсказывать обвалы и землетрясения

Когда горная порода испытывает слишком большое напряжение, она начинает разрушаться. Но перед тем, как лопнуть, она выделяет химические предупреждения — нуклиды. Эти атомы, определяемые числом нейтронов и протонов в ядре, высвобождаются в поры и трещины. Трещины расширяются, распространяются и соединяются друг с другом. Нуклиды выходят наружу. Ученые измеряют эти геохимические сигналы на поверхности, хотя источник их — глубоко под землёй.

Предыдущие исследования предполагали связь между разрушением породы и изменениями в сигналах нуклидов. Лабораторные эксперименты неоднократно показывали: растрескивание и деформация породы вызывают измеримые изменения в эмиссии нуклидов. Наблюдения в природе также связывали изменения окружающей среды с высвобождением нуклидов. В 1995 году в Кобе, Япония, учёные зафиксировали повышение эмиссии радона из горных пород за девять дней до землетрясения магнитудой 7,2.

Но до сих пор никто не мог связать аномалии нуклидов с изменениями свойств самой породы.

Что сделали учёные

Международная команда исследователей из университетов Китая и США проанализировала два долгосрочных наблюдения за высвобождением нуклидов из напряжённых пород. Первый отчёт касался эксперимента, в котором в течение месяца отслеживали эмиссию радона из гранитного цилиндра по мере его ослабления и последующего разрушения. Второй отчёт описывал трёхлетний эксперимент по отслеживанию эмиссии радона из склона коренной породы у водохранилища во Французских Альпах.

Команда построила модель, которая связала изменения сигналов нуклидов с прогрессирующими структурными изменениями в породе — трещинами, их раскрытием, расширением и распространением.

«Наша модель показывает, как сигналы нуклидов эволюционируют по мере того, как разрушение породы проходит через четыре стадии, — объяснил Жун Мао, автор исследования и постдокторант Нью-Джерсийского технологического института. — Эти стадии соответствуют различным характеристикам сигналов, которые можно количественно интерпретировать. Это первое исследование, устанавливающее количественную теорию для диагностики разрушения пород с использованием природных сигналов нуклидов».

Как это поможет предсказывать катастрофы

Модель успешно воспроизвела сигналы радона на всех стадиях ослабления и разрушения породы в лабораторных экспериментах. В полевых условиях, где природные системы сложнее контролируемых экспериментов, модель объяснила сигналы, зафиксированные при мониторинге коренной породы.

Работа открывает возможности для прогнозирования геологических катастроф — землетрясений, оползней, обвалов. Сигналы нуклидов могут стать чувствительным и потенциально работающим в реальном времени индикатором подповерхностных структурных изменений.

Исследователи уже разместили станции наблюдения за радоном на трёх участках в Китае: оползень Хуантупо в районе водохранилища Три ущелья, оползень у гидроэлектростанции Силоду и склон Пошань-роуд в Гонконге. «Наше исследование далеко не закончено», — сказал Жиа-Цинг Жоу, доцент Уханьского университета.

Если породы выделяют химические сигналы за девять дней до землетрясения, то сколько времени потребуется, чтобы превратить эти наблюдения в систему раннего предупреждения, способную спасать жизни? И как скоро такие станции появятся не только в Китае, но и в сейсмоопасных зонах по всему миру?