составить прогноз что будет если произойдет землетрясение
Прогноз землетрясений
Вы будете перенаправлены на Автор24
Прогнозирование землетрясений
Прогнозировать землетрясение достаточно сложно, но, тем не менее, ученые эти прогнозы делают. Для повышения их точности важно представлять механизмы накопления в земной коре напряжений, крипа, деформаций в районах разломов.
Важно знать, в какой зависимости находятся между собой тепловые потоки, идущие из земных недр и географией землетрясений, закономерности их повторяемости в зависимости от магнитуды.
В тех районах планеты, где вероятность сильных землетрясений большая, проводятся геодинамические наблюдения. Их цель заключается в том, чтобы обнаружить предвестников надвигающейся катастрофы.
Особое внимание уделяется изменению сейсмической активности, деформации земной коры, изменению свойств горных пород, геохимическим аномалиям, атмосферным явлениям, биологическим предвестникам.
Для исследований подобного рода используются специальные геодинамические полигоны, например:
Паркфилдский полигон в Канаде, Гармский полигон в Таджикистане и др.
Сейсмические станции, работающие с 1960 г, имеют самое современное и высокочувствительное оборудование, мощные компьютеры, позволяющие быстро обрабатывать данные и определять положение очагов землетрясения.
К сожалению, ни один предвестник не может быть надежным, поэтому задача прогноза землетрясений далека от решения.
Специалисты выделяют долгосрочный, среднесрочный и краткосрочный прогнозы:
По поводу долгосрочного прогноза споров меньше всего, их составляют сроком от нескольких месяцев до нескольких лет и за это время изучаются изменения напряжения в литосфере, её сейсмическая прозрачность. В основе среднесрочного прогноза лежат наблюдения за геофизическими полями, и землетрясение предсказывается за несколько месяцев до его начала. Правда, они не совсем успешны, но достаточно ценны. Что касается краткосрочных прогнозов, то к ним предъявляют большие требования, потому что от их точности зависит жизнь тысяч людей.
Готовые работы на аналогичную тему
В 50-е годы советские ученые начали программу по прогнозу землетрясений, и в ходе исследований было получено много новой и интересной информации.
Предсказать реальную угрозу не удалось, и первая попытка ученых оказалась неудачной. Вторую попытку предпринял Китай и достиг определенных результатов.
Например, землетрясение в 1975 г было очень точно предсказано, и за два часа до его начала прошла эвакуация людей в безопасное место.
Второе землетрясение тоже в Китае в следующем году – ученые побоялись ложной тревоги и в результате погибли сотни тысяч человек.
Методы прогнозирования не исключают ошибок, но зато дают ученым возможность понять природу и характер землетрясений, а также изучить возможности сокращения масштабов разрушений.
Ряд специалистов считают, что разрушительных последствий можно избежать, если создавать небольшие искусственные толчки взрывчатыми материалами.
Небольшие землетрясения в некоторых районах удалось предотвратить затоплением разломов.
Над решением проблем, связанных с землетрясениями работают сейсмологи всего мира и удачные попытки предсказания нескольких землетрясений были, но, основное количество не поддавалось их прогнозу.
Предвестники землетрясений
Наблюдения за состоянием подземных пород, в общем, дает возможность предсказать землетрясение.
Механические напряжения, появляющиеся в недрах планеты, приводят к изменению свойств пород, которые становятся аномальными. Аномалии могут быть упругие, электрические, магнитные и др.
При сильных механических нагрузках, например, в веществе может возникнуть электрическое поле. Значит, электризацию пород можно рассматривать как один из предвестников землетрясения.
Распространение волн в упругих напряженных породах идет иначе, влияет напряжение и на циркуляцию подземных вод, на заполнение водами трещин и скважин.
С нарастанием механических напряжений при формировании очага землетрясения в подземных водах увеличивается концентрация гелия, неона, аргона, криптона, увеличивается их концентрация и в газовых потоках, что определяется с помощью химического метода прогнозирования, а это значит, что химический анализ газа или воды в специальных скважинах, может выявить его назревание.
Одним из предвестников землетрясения является необычное поведение птиц и животных. Китайское землетрясение 1975 г в значительной степени основывалось на народных приметах и необычном поведении домашних животных.
Прогнозировать землетрясение интенсивностью от 4 и выше баллов могут 70 видов животных, но, ученые не нашли научного обоснования их чувствительности. Возможно, что животные перед землетрясением реагируют на возникающие звуки, включая инфразвуки и ультразвуки, реагируют на изменение магнитного и электрического полей, на выделяющиеся из почвы газы и др. Вопросы, связанные с аномальным поведением животных перед землетрясением, находятся в поле зрения сейсмологов мира.
Рисунок 1. Предвестники землетрясений. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Кроме этого, сейсмологи пользуются ещё одним методом предсказания землетрясений – изучение небесных изменений. В научных кругах эта теория носит название «литосферно-атмосферно-ионосферный соединительный механизм» и говорит о том, что перед землетрясением из разлома выделяется много радона, который попав в верхние слои атмосферы, забирает у молекул воздуха электроны и разделяет их на положительно и отрицательно заряженные частицы. Эти частицы вступают в реакцию с конденсированной водой, вследствие чего происходит выделение тепла. С помощью инфракрасного излучения это тепло и фиксируется учеными.
Используются для прогнозирования землетрясения и спутниковые данные. При изучении атмосферных процессов было обнаружено, что в ионосфере перед землетрясением увеличивается концентрация электронов, что было выявлено за несколько дней до землетрясения в Японии.
Все примеры прогнозирования землетрясений не гарантируют его начало, но, тем не менее, ученые работают над всеми вопросами и делают попытку найти истину.
Прогноз возможен, но…
Все последние катастрофы вулканического и сейсмического характера говорят о том, что человечество сегодня ещё не «доросло» до понимания важности их предотвращения.
Примером этого является катастрофа 2004 г, произошедшая в Юго-Восточной Азии, когда от огромной волны цунами погибли 300 тыс. человек. В режиме реального времени весь мир наблюдал распространение цунами в Индийском океане на экранах своих компьютеров. Но, предупредить эту катастрофу и предпринять какие-либо конкретные действия хотя бы по уменьшению её последствий, ни одно пострадавшее государство так и не смогло.
Вторым примером катастрофы, меньшей по масштабу, но, большей по числу жертв, является Китай. Во время землетрясения 1560 г в Шенси погибло 830 тыс. человек, можно попытаться понять причины этого – люди жили в пещерах, которые обвалились во время землетрясения, похоронив большую их часть. При Тянь-шаньском землетрясении 1976 г, почти таком же по масштабу, погибли сотни тысяч человек, только произошло оно на 400 лет позже.
Население Китая всегда было многочисленным, может быть, поэтому жизнь человека ничего не стоила. С другой стороны, Китай всегда был впереди по уровню научно-технической мысли – изобретение бумаги, пороха, компаса, шелка, фарфора, механических часов, технологии горячей обработки металлов, добыча нефти и газа – всё это впервые появилось именно в этой стране.
Сегодня очевидность достижений в области ядерной энергетики, освоении космоса, договоре о запрещении ядерных испытаний и контролю над его выполнением, говорит о том, что в научно-техническом плане человечество «созрело» для решения проблемы прогноза землетрясений. Однако политические и другие мотивы не дают передовым странам мира объединиться для решения этой глобальной проблемы.
Потрясающая активность: как предсказать землетрясение
Землетрясение — одно из самых опасных явлений на свете, которое очень часто приводит к огромным человеческим жертвам и материальным потерям. За последнее десятилетие мы наблюдали целый ряд катастроф сейсмического характера: в Японии, на Суматре, в Таиланде, на юге Индии, на побережье Китая, в Чили и Мексике. То есть сильнейшие землетрясения, с большими последствиями, происходят в наше время почти каждый год.
Вообще, в сейсмической активности существует некоторая периодичность. Если взять данные за последние 100 лет (на протяжении которых только и велись инструментальные сейсмические наблюдения), мы увидим как периоды активизации, когда почти каждый год происходили сильные землетрясения, так и периоды относительного затишья. Так, в конце XIX – начале XX веков произошел целый ряд очень сильных землетрясений. А в 1920-1930 годы особых сейсмических событий уже не наблюдалось. Затем в середине XX века произошла целая серия очень сильных землетрясений: Великое Чилийское 1960 года, Камчатское 1952 года с магнитудой почти 9,5 и огромной волной цунами, землетрясения в Японии.
И вот, после очередного периода затишья в начале XXI века, мы наблюдаем новую активизацию.
Можно ожидать, что до следующего затишья, по крайней мере, еще лет десять будут происходить очень сильные землетрясения в разных районах Земли. Возможны они и на территории России. В основном на дальневосточной окраине: в Курило-Камчатской зоне и на Сахалине, где в 1995 году одним из таких землетрясений был полностью разрушен Нефтегорск и погибло более 2000 человек.
Развивать методы прогнозирования землетрясений пытаются все ведущие страны, страдающие от этой проблемы: США, Китай, Япония, Индия. Чтобы сделать прогноз, надо предсказать место, силу и время землетрясения одновременно. Существуют три типа прогноза: долгосрочный, среднесрочный и краткосрочный.
При долгосрочном мы прогнозируем на несколько лет вперед, что в том или ином регионе, например, с вероятностью 80% (стопроцентно никогда ничего предсказать нельзя) произойдет сильное землетрясение в течение, например, 8–10 лет. Какой смысл в таких прогнозах? Власти получают возможность подготовиться к этому природному явлению. Например, начать укреплять здания в опасной зоне, сносить ветхие постройки, заменять их устойчивыми, сейсмоактивными, проверять всю инфраструктуру — насколько она устойчива. Если предпринять такие меры, то ущерб от землетрясения можно свести к минимуму.
Среднесрочный прогноз — примерно на год или несколько месяцев — делается другим образом. Если общий прогноз основан на анализе сейсмических данных, то среднесрочный строится еще и на реальных наблюдениях за развитием сейсмической обстановки: за деформациями поверхности, за поведением тех или иных разломных зон, которые могут представлять собой сейсмоопасные структуры. Такого рода прогноз дает время на то, чтобы подготовить население к возможности землетрясения, чтобы создать в зоне риска запасы продуктов питания, палаток, одеял, одежды.
Среднесрочный прогноз очень сложно делать на пустой территории. Если у нас нет ничего, кроме одной сейсмостанции, никакого прогноза не получится. Поэтому, если мы видим опасную по долгосрочному прогнозу зону, нам надо создать что-то вроде прогнозного полигона, куда стягиваются и другое оборудование, кроме сейсмического. Например, гидрогеологические средства, позволяющие определять уровень воды в скважинах, температуру выхода газа и другие параметры.
Краткосрочный прогноз — это дни, часы, минуты. У нас в стране единственный прогнозный полигон находится в районе Петропавловска-Камчатского. Есть несколько подобных полигонов в США (в Калифорнии) и Китае. Именно на таких полигонах можно предсказать, что в самое ближайшее время произойдет землетрясение.
К сожалению, на сегодняшний день пользы от краткосрочного прогноза мало.
Предположим, мы получаем какие-то высокие вероятности того, что в течение ближайших трех дней произойдет землетрясение. Но наблюдения-то делают ученые, которые не принимают никаких административных решений. Они могут лишь сообщить прогноз в МЧС или местные органы власти. И только эти организации могут принимать решение — объявлять сейсмическую тревогу или нет.
А принять это решение всегда очень трудно. Представьте: зима, мороз. И вдруг ученые говорят, что в ближайшие три дня может произойти сильнейшее землетрясение. Допустим, власть решила оповестить об этом население. Но это значит, что, во-первых, почти наверняка возникнет паника, поскольку люди в такой ситуации начинают вести себя неадекватно. Во-вторых, это значит, что нужно создать условия для того, чтобы все люди вышли из зданий и пережидали на улице — убивают ведь не сами землетрясения, а разрушающиеся постройки, тем более, если они ветхие, или не соответствуют строительным нормам. При этом люди могут несколько дней провести на воздухе, но никто не гарантирует, что землетрясение произойдет именно в течение трех дней. Оно может случиться и тогда, когда им надоест ждать, и они вернуться в свои дома.
Жертв тогда будет очень много.
Вообще, с научной точки зрения, краткосрочный прогноз во всем мире не очень хорошо проработан. Например, японские ученые — одни из самых продвинутых в области краткосрочного прогноза. В начале марта 2011 года они предсказали, что в районе центральной части острова Хонсю ожидается сильное землетрясение с магнитудой 8. И действительно, 9 марта произошло землетрясение у берегов Хонсю с магнитудой 7,9. Ученые аплодировали своей удаче. Но выяснилось, что главное землетрясение еще впереди. Оно произошло через два дня, имело магнитуду 9, сопровождалось множеством жертв и разрушений, и вызвало аварию на Фукусиме-1.
Так что, на мой взгляд, при современном уровне развития науки, долгосрочный и среднесрочный прогнозы важнее, чем краткосрочный. Но это не значит, что последний не нужно развивать — иначе мы никогда и ничего не узнаем и ничему не научимся. Я предполагаю, что в ближайшее десятилетие в этой сфере может случиться серьезный прорыв.
Сейсмология: как предсказывают землетрясения
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.
Неустойчивая твердь
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.
Сейсмический климат
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 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.
Предвестники беды
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
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.
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.
Составить прогноз что будет если произойдет землетрясение
Доктор геолого-минералогических наук Николай Короновский, кандидат геолого-минералогических наук Альфред Наймарк.
Не проходит и года, чтобы где-то не случилось катастрофическое землетрясение с тотальными разрушениями и человеческими жертвами, количество которых может достигать десятков и сотен тысяч. А тут ещё цунами — аномально высокие волны, возникающие в океанах после землетрясений и смывающие на низких берегах посёлки и города вместе с жителями. Эти катастрофы всегда неожиданны, пугают их внезапность и непредсказуемость. Неужели современная наука не в состоянии предвидеть подобные катаклизмы? Ведь предсказывают же ураганы, торнадо, изменения погоды, наводнения, магнитные бури, даже извержения вулканов, а с землетрясениями — полный провал. И общество зачастую считает, что виноваты учёные. Так, в Италии попали под суд шестеро геофизиков и сейсмологов, которые в 2009 году не смогли предсказать землетрясение в Аквиле, унёсшее жизни 300 человек.
Казалось бы, имеется много разных инструментальных методов, приборов, фиксирующих малейшие деформации земной коры. А прогноз землетрясения не удаётся. Так в чём же дело? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим сначала, что же представляет собой землетрясение.
Самая верхняя оболочка Земли — литосфера, состоящая из твёрдой земной коры мощностью от 5—10 км в океанах и до 70 км под горными массивами, — подразделяется на ряд плит, называемых литосферными. Ниже располагается также твёрдая верхняя мантия, точнее, её верхняя часть. Эти геосферы состоят из различных горных пород, обладающих высокой твёрдостью. Но в толще верхней мантии на разных глубинах размещается слой, названный астеносферным (от греческого астенос — слабый), имеющий меньшую вязкость по сравнению с выше- и нижележащими породами мантии. Предполагается, что астеносфера является той «смазкой», по которой могут перемещаться литосферные плиты и части верхней мантии.
Во время движения пли`ты в одних местах сталкиваются, образуя огромные горно-складчатые цепи, в других, наоборот, раскалываются с образованием океанов, кора которых тяжелее коры континентов и способна погружаться под них. Эти взаимодействия плит вызывают колоссальные напряжения в горных породах, сжимая или, наоборот, растягивая их. Когда напряжения превышают предел прочности горных пород, происходит их очень быстрое, практически мгновенное, смещение, разрыв. Момент этого смещения и представляет собой землетрясение. Если мы хотим его предсказать, то должны дать прогноз места, времени и возможной силы.
Любое землетрясение представляет собой процесс, идущий с некоторой конечной скоростью, с образованием и обновлением множества разномасштабных разрывов, вспарыванием каждого из них с высвобождением и перераспределением энергии. При этом надо чётко понимать, что горные породы представляют собой не сплошной однородный массив. В нём есть трещины, структурно ослабленные зоны, которые значительно понижают его суммарную прочность.
Скорость распространения разрыва или разрывов достигает нескольких километров в секунду, процесс разрушения охватывает некоторый объём пород — очаг землетрясения. Его центр называется гипоцентром, а проекция на поверхность Земли — эпицентром землетрясения. Гипоцентры располагаются на разных глубинах. Наиболее глубокие — до 700 км, но чаще гораздо меньше.
Интенсивность, или сила, землетрясений, которая так важна для прогнозирования, характеризуется в баллах (мера разрушения) по шкале MSK-64: от 1 до 12, а также магнитудой М — безразмерной величиной, предложенной профессором Калифорнийского технологического института Ч. Ф. Рихтером, которая отражает количество высвобожденной общей энергии упругих колебаний.
Чтобы оценить возможность и практическую пользу прогноза землетрясений, нужно чётко определить, каким требованиям он должен отвечать. Это не угадывание, не тривиальное предсказание заведомо регулярных событий. Прогноз определяется как научно обоснованное суждение о месте, времени и состоянии явления, закономерности возникновения, распространения и изменения которого неизвестны или неясны.
Принципиальная прогнозируемость сейсмических катастроф долгие годы никаких сомнений не вызывала. Вера в безграничный предсказательный потенциал науки подкреплялась, казалось бы, вполне убедительными доводами. Сейсмические события с выделением огромной энергии не могут происходить в недрах Земли без подготовки. Она должна включать определённые перестройки структуры и геофизических полей, тем большие, чем интенсивней ожидаемое землетрясение. Проявления таких перестроек — аномальные изменения тех или иных параметров геологической среды — выявляются методами геолого-геофизического и геодезического мониторинга. Задача, следовательно, состояла в том, чтобы, располагая необходимыми методиками и аппаратурой, вовремя зафиксировать возникновение и развитие таких аномалий.
Однако оказалось, что даже в районах, где ведутся непрерывные тщательные наблюдения — в Калифорнии (США), Японии, — сильнейшие землетрясения всякий раз случаются неожиданно. Получить надёжный и точный прогноз эмпирическим путём не удаётся. Причину этого видели в недостаточной изученности механизма исследуемого процесса.
Таким образом, сейсмический процесс априори считался в принципе прогнозируемым, если механизмы, фактические данные и необходимые методики, неясные или недостаточные сегодня, будут поняты, пополнены и усовершенствованы в будущем. Каких-либо принципиально непреодолимых препятствий прогнозированию нет. Унаследованные от классической науки постулаты безграничных возможностей научного познания, предсказания интересующих нас процессов были до относительно недавнего времени исходными принципами любого естественно-научного исследования. А как эта проблема понимается сейчас?
Достаточно очевидно, что даже без специальных исследований можно уверенно «прогнозировать», например, в высокосейсмичной зоне перехода от азиатского континента к Тихому океану в ближайшие 1000 лет сильное землетрясение. Столь же «обоснованно» можно утверждать, что в районе острова Итуруп Курильской гряды завтра в 14:00 по московскому времени произойдёт землетрясение с магнитудой 5,5. Но цена таким прогнозам — ломаный грош. Первый из прогнозов вполне достоверен, но никому не нужен ввиду его крайне малой точности; второй достаточно точен, но также бесполезен, ибо его достоверность близка к нулю.
Из этого ясно, что: а) при любом определённом уровне изученности повышение достоверности прогноза влечёт за собой снижение его точности, и наоборот; б) при недостаточной точности прогноза каких-либо двух параметров (например, места и магнитуды землетрясения) даже точное предсказание третьего параметра (времени) теряет практический смысл.
Таким образом, главная задача и главная трудность прогнозирования землетрясения в том, чтобы предсказания его места, времени и энергии или интенсивности удовлетворяли бы требованиям практики одновременно и по точности, и по достоверности. Однако сами эти требования различны в зависимости не только от достигнутого уровня знаний о землетрясениях, но и от конкретных целей прогнозирования, которым отвечают разные типы прогноза. Принято выделять:
— сейсморайонирование (оценки сейсмичности на десятилетия — столетия;
— прогнозы: долгосрочный (на годы — десятилетия), среднесрочный (на месяцы — годы), краткосрочный (по времени 2—3 суток — часы, по месту 30—50 км) и иногда оперативный (на часы — минуты).
Особенно актуален краткосрочный прогноз: именно он — основание для конкретных предупреждений о предстоящей катастрофе и для неотложных действий по уменьшению ущерба от неё. Цена ошибок здесь очень велика. А ошибки эти бывают двух типов:
1. «Ложная тревога», когда после принятия всех мер для минимизации количества людских жертв и материальных потерь предсказанное сильное землетрясение не происходит.
2. «Пропуск цели», когда состоявшееся землетрясение не было предсказано. Такие ошибки чрезвычайно часты: практически все катастрофические землетрясения оказываются неожиданными.
В первом случае ущерб от нарушения ритма жизни и работы тысяч людей может быть очень большим, во втором — последствия чреваты не только материальными потерями, но и человеческими жертвами. В обоих случаях моральная ответственность сейсмологов за неверный прогноз очень велика. Это заставляет их быть предельно осторожными при выдаче (или невыдаче) властям официальных предупреждений о предстоящей опасности. В свою очередь власти, осознавая огромные трудности и тяжёлые последствия остановки функционирования плотно заселённого района или крупного города хотя бы на день-другой, отнюдь не спешат следовать рекомендациям многочисленных «самодеятельных» неофициальных прогнозистов, декларирующих 90%-ную и даже 100%-ную достоверность своих предсказаний.
Дорогая цена незнания
Между тем непредсказуемость геокатастроф обходится человечеству очень дорого. Как отмечает, например, российский сейсмолог А. Д. Завьялов, с 1965 по 1999 год землетрясения составляли 13% от общего числа природных катастроф в мире. С 1900 по 1999 год произошло 2000 землетрясений с магнитудой более 7. В 65 из них М была выше 8. Людские потери от землетрясений в XX веке составили 1,4 млн человек. Из них на последние 30 лет, когда количество жертв стали подсчитывать более точно, пришлось 987 тыс. человек, то есть 32,9 тыс. человек в год. Среди всех природных катастроф землетрясения стоят на третьем месте по количеству смертных случаев (17% от общего числа погибших). В России, на 25% её площади, где расположены около 3000 городов и посёлков, 100 крупных гидро- и тепловых электростанций, пять АЭС, возможны сейсмические сотрясения с интенсивностью 7 и более. Сильнейшие землетрясения в ХХ столетии происходили на Камчатке (4 ноября 1952 года, М = 9,0), на Алеутских островах (9 марта 1957 года, М = 9,1), в Чили (22 мая 1960 года, М = 9,5), на Аляске (28 марта 1964 года, М = 9,2).
Впечатляет перечень сильнейших землетрясений в недавние годы.
2004 год, 26 декабря. Суматро-Андаманское землетрясение, М = 9,3. Сильнейший афтершок (повторный толчок) с М = 7,5 возник спустя 3 ч 22 мин после главного удара. За первые сутки после него зарегистрировано около 220 новых землетрясений с М > 4,6. Цунами обрушилось на побережья Шри-Ланки, Индии, Индонезии, Таиланда, Малайзии; погибли 230 тыс. человек. Спустя три месяца возник афтершок с М = 8,6.
2005 год, 28 марта. Остров Ниас, в трёх километрах от Суматры, землетрясение с М = 8,2. Погибли 1300 человек.
2005 год, 8 октября. Пакистан, землетрясение с М = 7,6; погибли 73 тыс. человек, более трёх миллионов остались без крова.
2006 год, 27 мая. Остров Ява, землетрясение с М = 6,2; погибли 6618 человек, 647 тыс. остались без крова.
2008 год, 12 мая. Провинция Сычуань, Китай, в 92 км от г. Ченду, землетрясение М = 7,9; погибли 87 тыс. человек, 370 тыс. ранены, 5 миллионов остались без крова.
2009 год, 6 апреля. Италия, землетрясение с М = 5,8 близ исторического г. Аквила; жертвами стали 300 человек, ранены 1,5 тыс., более 50 тыс. остались без крова.
2010 год, 12 января. Остров Гаити, в нескольких милях от побережья два землетрясения с М = 7,0 и 5,9 в течение нескольких минут. Погибли около 220 тыс. человек.
2011 год, 11 марта. Япония, два землетрясения: М = 9,0, эпицентр в 373 км к северо-востоку от Токио; М = 7,1, эпицентр в 505 км к северо-востоку от Токио. Катастрофическое цунами, погибли более 13 тыс. человек, 15,5 тыс. пропали без вести, разрушение АЭС. Спустя 30 мин после главного толчка — афтершок с М = 7,9, затем ещё один толчок с М = 7,7. За первые сутки после землетрясения зарегистрировано около 160 толчков с магнитудами от 4,6 до 7,1, из них 22 толчка с М > 6. За вторые сутки количество зарегистрированных афтершоков с М > 4,6 составило около 130 (из них 7 афтершоков с М > 6,0). За третьи сутки это число снизилось до 86 (в том числе один толчок с М = 6,0). На 28-е сутки произошло землетрясение с М = 7,1. К 12 апреля было зарегистрировано 940 афтершоков с М > 4,6. Эпицентры повторных толчков покрыли область протяжённостью около 650 км, в поперечнике около 350 км.
Все, без исключений, перечисленные события оказывались неожиданными или «предсказанными» не настолько определённо и точно, чтобы можно было принять конкретные меры безопасности. Между тем утверждения о возможности и даже многократных реализациях надёжного краткосрочного прогноза конкретных землетрясений нередки как на страницах научных изданий, так и в интернете.
История двух прогнозов
В районе города Хайчэн, провинция Ляонин (Китай), в начале 70-х годов прошлого столетия неоднократно отмечались признаки возможного сильного землетрясения: изменения наклонов земной поверхности, геомагнитного поля, электросопротивления грунтов, уровня воды в колодцах, поведения животных. В январе 1975 года было объявлено о предстоящей опасности. К началу февраля внезапно поднялся уровень воды в колодцах, сильно возросло число слабых землетрясений. К вечеру 3 февраля власти были уведомлены сейсмологами о близкой катастрофе. На следующее утро произошло землетрясение с магнитудой 4,7. В 14:00 было объявлено о вероятности ещё более сильного удара. Жители покинули дома, были приняты меры безопасности. В 19:36 мощный толчок (М = 7,3) вызвал обширные разрушения, но жертв оказалось немного.
Это единственный пример удивительно точного по времени, месту и (приблизительно) по интенсивности краткосрочного прогноза разрушительного землетрясения. Однако иные, очень немногие оправдавшиеся прогнозы были недостаточно определёнными. Главное же — число как непредсказанных реальных событий, так и ложных тревог оставалось чрезвычайно большим. Это означало, что надёжного алгоритма устойчивого и точного предсказания сейсмокатастроф нет, а хайчэнский прогноз — скорее всего, лишь необычайно удачное стечение обстоятельств. Так, чуть больше года спустя, в июле 1976-го, в 200—300 км к востоку от Пекина произошло землетрясение с M = 7,9. Был полностью разрушен г. Таншань, погибли 250 тыс. человек. Определённых предвестников катастрофы не наблюдалось, тревога не объявлялась.
После этого, а также после неудачи многолетнего эксперимента по прогнозу землетрясения в Паркфилде (США, штат Калифорния) в середине 80-х годов прошлого века возобладало скептическое отношение к перспективам решения проблемы. Это нашло отражение в большинстве докладов на совещании «Оценка проектов по прогнозу землетрясений» в Лондоне (1996 г.), проведённом Королевским астрономическим обществом и Объединённой ассоциацией геофизики, а также в дискуссии сейсмологов разных стран на страницах журнала «Nature» (февраль — апрель 1999 года).
Значительно позже Таншаньского землетрясения российский учёный А. А. Любушин, анализируя данные геофизического мониторинга тех лет, смог выявить аномалию, предшествовавшую этому событию (на верхнем графике рис. 1 оно выделено правой вертикальной линией). Соответствующая этой катастрофе аномалия присутствует и на нижнем, модифицированном, графике сигнала. На обоих графиках имеются и другие аномалии, ненамного уступающие упомянутой, однако не совпавшие с какими-либо землетрясениями. Но никакого предвестника Хайчэнского землетрясения (левая вертикальная линия) первоначально найдено не было; аномалия выявилась только после модификации графика (рис. 1, внизу). Таким образом, хотя выявить предвестники Таншаньского и в меньшей степени Хайчэнского землетрясений в данном случае апостериори удалось, надёжного прогнозного выделения признаков будущих разрушительных событий найдено не было.
В наши дни, анализируя результаты длительных, с 1997 года, непрерывных записей микросейсмического фона на Японских островах, А. Любушин обнаружил, что ещё за полгода до сильного землетрясения на о. Хоккайдо (М = 8,3; 25 сентября 2003 года) произошло уменьшение среднего по времени значения сигнала-предвестника, после чего сигнал не вернулся к прежнему уровню и стабилизировался на низких значениях. Это с середины 2002 года сопровождалось увеличением синхронизации значений данного признака по разным станциям. Такая синхронизация с позиций теории катастроф — признак приближающегося перехода исследуемой системы в качественно новое состояние, в данном случае — указание на предстоящее бедствие. Эти и последующие результаты обработки имевшихся данных привели к предположению, что событие на о. Хоккайдо, хотя и сильное, всего лишь форшок ещё более мощной предстоящей катастрофы. Так, на рис. 3 видны две аномалии поведения сигнала-предвестника — острые минимумы в 2002 и 2009 годах. Поскольку после первого из них последовало землетрясение 25 сентября 2003 года, то второй минимум мог быть предвестником ещё более мощного события с М = 8,5—9. Его место указывалось как «Японские о-ва»; более точно оно было определено ретроспективно, постфактум. Время события прогнозировалось вначале (апрель 2010 года) на июль 2010 года, затем — от июля 2010 года на неопределённый период, что исключало возможность объявления тревоги. Произошло оно 11 марта 2011 года, причём, судя по рис. 2, его можно было ожидать и раньше, и позже.
Данный прогноз относится к среднесрочным, которые бывали успешными и прежде. Краткосрочные же удачные прогнозы всегда единичны: найти какой-либо устойчиво эффективный набор предвестников не удавалось. И сейчас нет способов заранее узнать, в каких ситуациях будут эффективны те же предвестники, что и в прогнозе А. Любушина.
Уроки прошлого, сомнения и надежды на будущее
Каково же современное состояние проблемы краткосрочного сейсмопрогнозирования? Разброс мнений очень велик.
В последние 50 лет попытки прогноза места и времени сильных землетрясений за несколько суток были безуспешны. Выделить предвестники конкретных землетрясений не удалось. Локальные возмущения различных параметров среды не могут быть предвестниками отдельных землетрясений. Не исключено, что краткосрочный прогноз с нужной точностью вообще нереален.
В сентябре 2012 года, в ходе 33-й Генеральной ассамблеи Европейской сейсмологической комиссии (Москва), генеральный секретарь Международной ассоциации сейсмологии и физики недр Земли П. Сухадолк признал, что в ближайшее время прорывных решений в сейсмологии не ожидается. Отмечалось, что ни один из более 600 известных предвестников и никакой их набор не гарантируют предсказания землетрясений, которые бывают и без предвестников. Уверенно указать место, время, мощность катаклизма не удаётся. Надежды возлагаются лишь на предсказания там, где сильные землетрясения происходят с некоторой периодичностью.
Так возможно ли в будущем повысить одновременно точность и достоверность прогноза? Прежде чем искать ответ, следует понять: а почему, собственно, землетрясения должны быть прогнозируемы? Традиционно полагают, что любое явление прогнозируемо, если достаточно полно, подробно и точно изучены уже происшедшие подобные события, и прогнозирование можно строить по аналогии. Но будущие события происходят в условиях, не тождественных прежним, и поэтому непременно в чём-то от них отличаются. Такой подход может быть эффективен, если, как подразумевается, отличия в условиях зарождения и развития исследуемого процесса в разных местах, в разное время невелики и меняют его результат пропорционально величине таких отличий, то есть также незначительно. При неоднократности, случайности и разнозначности подобных отклонений они существенно взаимокомпенсируются, позволяя получать в итоге не абсолютно точный, но статистически приемлемый прогноз. Однако возможность такой предсказуемости в конце XX века была поставлена под сомнение.
Маятник и песчаная куча
Известно, что поведение множества природных систем достаточно удовлетворительно описывается нелинейными дифференциальными уравнениями. Но их решения в некоторой критической точке эволюции становятся неустойчивыми, неоднозначными — теоретическая траектория развития разветвляется. Та или иная из ветвей непредсказуемо реализуется под действием одной из множества малых случайных флуктуаций, всегда происходящих в любой системе. Предсказать выбор можно было бы лишь при точном знании начальных условий. Но к их малейшим изменениям нелинейные системы весьма чувствительны. Из-за этого выбор пути последовательно всего в двух-трёх точках ветвления (бифуркации) приводит к тому, что поведение решений вполне детерминистических уравнений оказывается хаотическим. Это выражается — даже при плавном увеличении значений какого-либо параметра, например давления, — в самоорганизации коллективных нерегулярных, скачкообразно перестраивающихся перемещений и деформаций элементов системы и их агрегаций. Такой режим, парадоксально сочетающий детерминированность и хаотичность и определяемый как детерминистский хаос, отличный от полной разупорядоченности, отнюдь не исключителен, и не только в природе. Приведём простейшие примеры.
Сжимая строго по продольной оси гибкую линейку, мы не сможем предсказать, в какую сторону она изогнётся. Качнув маятник без трения настолько сильно, чтобы он достиг точки верхнего, неустойчивого положения равновесия, но не более, мы не сможем предсказать, пойдёт ли маятник вспять или сделает полный оборот. Посылая один бильярдный шар в направлении другого, мы приблизительно предвидим траекторию последнего, но после его столкновений с третьим, а тем более с четвёртым шаром наши прогнозы окажутся очень неточными и неустойчивыми. Наращивая равномерной подсыпкой кучу песка, при достижении некоторого критического угла её склона увидим, наряду со скатыванием отдельных песчинок, непредсказуемые лавинообразные обрушения спонтанно возникающих агрегаций зёрен. Таково детерминированно-хаотическое поведение системы в состоянии самоорганизованной критичности. Закономерности механического поведения отдельных песчинок дополняются здесь качественно новыми особенностями, обусловленными внутренними связями совокупности песчинок как системы.
Принципиально похоже формируется разрывная структура породных массивов — от начального рассредоточенного микрорастрескивания к разрастанию отдельных трещин, затем — к их взаимодействиям и взаимосочленениям. Опережающее разрастание какого-то одного, заранее непредсказуемого нарушения среди конкурирующих превращает его в магистральный сейсмогенный разрыв. В этом процессе каждый единичный акт образования разрыва вызывает непрогнозируемые перестройки структуры и напряжённого состояния в массиве.
В приведённых и других подобных примерах не прогнозируемы ни конечный, ни промежуточные результаты нелинейной эволюции, определённой начальными условиями. Связано это не с воздействием множества трудно учитываемых факторов, не с незнанием законов механического движения, а с невозможностью оценить начальные условия абсолютно точно. В этих обстоятельствах даже малейшие их различия быстро разводят исходно близкие траектории развития сколь угодно далеко.
Традиционная стратегия прогнозирования катастроф сводится к выявлению отчётливой аномалии-предвестника, порождённой, например, концентрацией напряжений у окончаний, изломов, взаимопересечений разрывов. Чтобы стать достоверным признаком приближающегося толчка, такая аномалия должна быть единичной и контрастно выделяющейся на окружающем фоне. Но реальная геосреда устроена по-другому. Под нагрузкой она ведёт себя как грубо- и самоподобно-блочная (фрактальная). Это означает, что блок любого масштабного уровня вмещает относительно немного блоков меньших размеров, а каждый из них — столько же ещё меньших и т.д. В такой структуре не может быть чётко обособленных аномалий на однородном фоне, в ней присутствуют неконтрастно различающиеся макро-, мезо- и микроаномалии.
Это делает бесперспективной традиционную тактику решения проблемы. Отслеживание подготовки сейсмокатастроф одновременно в нескольких относительно близких по потенциальной опасности очагах снижает вероятность пропуска события, но в то же время повышает вероятность ложной тревоги, поскольку наблюдаемые аномалии не единичны и не контрастны на окружающем пространстве. Можно предвидеть детерминированно-хаотический характер нелинейного процесса в целом, отдельных его стадий, сценариев перехода от стадии к стадии. Но требуемые надёжность и точность краткосрочных прогнозов конкретных событий остаются недостижимыми. Давняя и почти всеобщая убеждённость в том, что любая непредсказуемость — лишь следствие недостаточной изученности и что при более полном и детальном изучении сложная, хаотичная картина непременно сменится более простой, а прогноз станет надёжным, оказалась иллюзией.
Что же касается редких примеров успешных прогнозов, то они объяснимы удачными совпадениями с реальностью.
Ни теоретических, ни эмпирических оснований ожидать практически точных, устойчиво-надёжных прогнозов сейсмокатастроф пока нет.