Можно ли предвидеть катаклизм

Общее число жертв землетрясений за последние 20 лет приближается к миллиону человек. Фото Reuters

Краткосрочный прогноз землетрясений – давняя тема научных исследований. Об этой глобальной проблеме в беседе с Николаем ДОРОЖКИНЫМ рассказывает доктор физико-математических наук, академик Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского, главный научный сотрудник Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН Иосиф ГУФЕЛЬД.

– Иосиф Липович, почему сейсмология не может предвидеть такие катастрофы, как землетрясение 2011 года в Японии? Я читал, что сейсмологи были шокированы неожиданностью этого события…

– Это было сильнейшее землетрясение с магнитудой «9», сопровождавшееся мощным цунами. Сильно пострадала атомная электростанция, последствия ее разрушения еще не преодолены. И хотя эпицентр землетрясения находился на расстоянии 150–200 км от сети многочисленных станций мониторинга сейсмической опасности, эта сеть даже не шелохнулась. Стало очевидным, что для прогноза она бесполезна.

Весь мониторинг направлялся только на поиск каких-либо возмущений различных полей, но не рассматривались геофизические особенности фонового процесса, который занимает преимущественное время в сейсмическом цикле. Между возмущением какого-либо параметра и сейсмическим актом проходят многие месяцы или годы фонового процесса, а положение эпицентра (гипоцентра) и области возмущений не совпадают в пространстве. Что прогнозировать?

И самое главное. Основной мониторинг ведется в поверхностном слое земной коры. Он практически не нагружен и расслоен, и на него действуют фоновые поля. В этом же слое происходит разгрузка природных газов из более глубоких горизонтов. Поверхностный слой не связан прямо с зоной, где начинают формироваться условия для проявления сейсмических событий. Влияние поверхностного слоя исчезает глубже 5–6 км.

Такой подход поиска предвестников землетрясений заведомо был проигрышным. Результаты за последние 20 лет печальные – Нефтегорск, Кобе, Сычуань, Чили, Суматра и другие. Общее число жертв близко к миллиону человек. Необходимо помнить, что только краткосрочный прогноз положения эпицентральных зон сильнейших землетрясений имеет практическую значимость.

– Что-нибудь делается для выхода из этого положения?

– Сейсмологи, занимающиеся прогнозом землетрясений, зашли в тупик и, самое главное, начали это понимать. Научные исследования по лабораторному моделированию развивались вне проблемы землетрясений. Казалось бы, все просто.

Трясение Земли вызвано трещиной в земной коре. Это можно моделировать на образце. Прогрессирующее трещинообразование вызывает магистральную трещину. Все наглядно, нужно искать аналоги предвестников в земной коре и иметь больше станций сейсмического и геофизического мониторинга. А результаты – негативные.

Однако основные данные по геологической среде были получены еще советскими исследователями. Член-корреспондент РАН Алексей Николаев экспериментально показал, что процессы в среде происходят на уровнях различного масштаба.

В начале 80-х годов профессор Николаевский опубликовал работы по реологическим (реология – наука о деформации и текучим свойствам веществ. – «НГ-наука») особенностям земной коры, вплоть до границы Мохо (30–40 км). Он показал, что кора под действием литостатического давления и флюида разрушена. Трещиноватость поддерживается на локальном уровне. И в такой среде за счет чисто механического дополнительного нагружения не могут происходить крупномасштабные разрывы, а следовательно, сильные землетрясения. Парадокс!

Дальше еще интереснее. В свое время академик Михаил Садовский с коллегами, обсуждая блоковое строение земной коры, сделали вывод, что подготовка сильных сейсмических явлений обусловлена процессами взаимодействия блоков на платформах, а не прогрессирующим трещинообразованием. Это относится не только к структурам платформ, но и к зонам субдукции («подныривания» литосферных плит одна под другую. – «НГ-наука»). Из этого следует, что процессы, приводящие к сейсмическим актам различной энергии, принципиально другие.

– То есть землетрясения не являются следствием процессов трещинообразования?

– Странно звучит? Но доказать это очень легко. Посмотрите на рисунок. Это сечение зоны субдукции в Камчатском регионе с отметкой центров сейсмических событий разной энергии за период всего в 60 лет. Еще академик Садовский отмечал: если сейсмический акт проявляется трещиной, а сейсмический процесс продолжается в этой зоне десятки миллионов лет, то среда давно должна была превратиться в «песок», однако этого не происходит. В этой среде непрерывно воспроизводятся сейсмические акты различной энергии.

Обратим внимание на область сочленения горизонтального участка океанической коры и «опускающейся» части коры. Если бы этот участок был разрушен и поддерживался в этом состоянии, то ни о каком движении плиты вниз речь не могла идти. Океаническая кора в этой зоне сохраняет конструкционную целостность. Похожая ситуация характерна также для внутриблоковых структур сейсмоактивных регионов.

– Но должны быть еще факторы, контролирующие сам сейсмический процесс?

– В сейсмическом процессе не рассматривалась планетарная водородная дегазация Земли. Восходящие планетарные потоки легких газов очень большие. 

С восходящими потоками преимущественно водорода связываются формирование громадных пространственных резервуаров нефти и газа, возобновляемые залежи нефти, повсеместный сланцевый газ, нефть в кристаллических массивах фундамента, озоновые дыры. Сток легких газов в литосфере осуществляется во внутриблоковых структурах и вдоль граничных и разрывных структур. Роль водородной дегазации в жизни Земли рассматривалась советскими и российскими учеными Владимиром Вернадским, Петром Кропоткиным и другими.

Водородная дегазация оказывает существенное влияние на формирование мегаструктур и процессы, протекающие в среде. Это ранее не учитывалось. Например, водород вызывает аморфизацию и текстурирование граничных структур, которые могут обеспечивать сверхконтрастное движение блоков относительно друг друга и движение океанической коры в мантию. Именно это и наблюдается. Фиксируется колебательный режим изменения параметров среды как следствие водородной дегазации.

Необходимо иметь в виду, что проявление масштабности процессов дегазации и их геологические следствия невозможно моделировать в лабораторном эксперименте. Следовательно, пропуск ряда действующих в среде процессов был очевиден.

Сечение зоны субдукции в Камчатском регионе с отметкой центров сейсмических событий разной энергии за период всего в 60 лет.

– Как знания о структуре и процессах в земной коре, литосфере могут помочь в решении основной проблемы – прогноза землетрясений?

– Не зная среды, нельзя прогнозировать динамические явления в среде. Искажать смысл необходимых работ могут также используемые термины. Например, какой акт мы должны прогнозировать? Землетрясение – это вторичный эффект. А мы должны говорить о первичном сейсмическом акте, что это – трещина, разрыв или нечто другое. Это главное. Для понимания этого нужно хорошо представлять особенности структуры и строения геологических сред. Поиск же причин главного акта или сейсмического события и его природы оставался вне поля зрения сейсмологов.

– Этим проблемам, насколько я понимаю, посвящена и ваша новая книга?

– Именно так. Книга «Сейсмический процесс в зоне субдукции. Мониторинг фонового режима» написана в соавторстве с доктором технических наук, профессором Олегом Новоселовым. Мы подчеркиваем, что для прогнозирования сейсмического акта – мега – или сильнейшего – необходимо контролировать фоновый сейсмический режим и оценивать его характеристики. Но не по статистике событий слабой и средней силы. Это не характеристики процесса. Необходимо оценивать состояние среды и ее динамику.

– То есть физика сейсмических актов и фонового режима может отличаться в различных зонах земного шара?

– Если рассматривать сейсмотектонические мегаструктуры, то их можно разделить на два основных типа – разломно-блоковая структура платформ и зоны субдукции.

Вначале о пространственно связанной разломно-блоковой структуре широтного сейсмического пояса – это Китай, север Индии, Пакистан, Афганистан, республики Средней Азии, Иран, Ирак, Турция. Получены геолого-геофизические данные, показывающие, что существует взаимодействие блоков между собой. Такое мы контролировать не можем. Слишком большие масштабы. Здесь сейсмический акт – это не трещина или разрыв, а быстрая подвижка одного блока относительно другого, связанная с резким уменьшением коэффициента трения и процессами водородной дегазации. И на какой граничной структуре в широтном поясе произойдет сейсмический акт, приводящий к сильнейшим землетрясениям?

Можно привести примеры. 7 декабря 1988 года произошло разрушительное землетрясение в Армении, в зоне которого ничего особенного не наблюдали. Таких «тихих» мест много. В 80-х годы в Калифорнии трижды неудачно прогнозировали сильнейшее землетрясение. Затем оно произошло, но в другом месте. В Китае был в 1975 году один удачный прогноз, но затем – неудачи. Должен быть краткосрочный прогноз эпицентральной зоны и объявленный период опасности – не более нескольких суток.

– Поиски предвестников сильнейших землетрясений проводятся не один десяток лет. Сейсмологи задавали себе вопрос, почему они не достигают цели?

– По представлениям сейсмологов, сейсмический акт – это трещина или разрыв. На этой основе строится мониторинг и анализ режима сейсмичности. Это – субъективные причины отсутствия результатов. Объективна причина – неполнота наших фундаментальных знаний о среде, хотя эти работы должны были проводиться в приоритетном порядке. В сейсмоактивных районах Северного Кавказа, Саяно-Байкальском регионе, северо-восточных территориях России развернуты сети сейсмического и гидрогеофизического мониторинга.

Однако сейчас не существует (ее и раньше не было) методологической базы прогностических исследований для платформ. Здесь нужно начать новые фундаментальные исследования. Для этого необходимо организовать международный полигон, площадь которого превышала бы размеры отдельных государств. С пропуском сильнейших землетрясений на платформах и жертвами пока придется смириться.

– Как вы оцениваете ситуацию в зонах субдукции, например, Камчатка, Курилы, Япония, Индонезия, где всегда наибольшее количество жертв?

– Зона субдукции представляет собой пространственно связанную структуру элементов, в которой сейсмический процесс обусловлен также не непрерывным разрушением, а подвижками элементов среды относительно друг друга. Это среда, в которой непрерывно меняются внутренние параметры за счет восходящей диффузии водорода. Среда внутренне активная.

В зоне субдукции наблюдается самоподдерживающийся режим колебаний объема различных элементов среды, формирующих волны деформаций. Внутри такой зоны нет четких границ, а взаимодействия внутри этого объекта и с внешней средой не контролируются. Мониторинг зоны субдукции должен учитывать масштабность протекающих процессов и, самое главное, учитывать колебательный режим движений. Для идентификации прогнозирования динамики зоны субдукции впервые предложено использовать уравнение эволюции состояния среды.

– Значит, по фиксации катастрофического состояния среды можно предсказать сильное землетрясение?

– Ситуация прямо противоположная. Неустойчивое и катастрофическое состояния среды соответствуют фоновому режиму сейсмического процесса. В этот период в зоне субдукции настолько быстро изменяются параметры, что мы «теряем» над ней контроль. В этот период бессмысленно анализировать и связывать какие-либо аномалии полей в материковой части с возможными предвестниками.

В фоновый период во всей региональной зоне на различном масштабном уровне происходят релаксационные и колебательные процессы. Это более 90% всего времени. И этому периоду в основном соответствует сброс энергии. В результате этих работ мы сейчас имеем возможность прогнозирования фонового сейсмического режима, что существенно уменьшает время тревог. Этого раньше никто не делал. Хотя эта работа должна была быть в центре внимания.

Сильные сейсмические события с магнитудой 6–7 происходили в период устойчивого колебательного режима. Здесь обычно шла накачка среды энергией. События с такой магнитудой в зоне субдукции относим к фоновым. Сейчас мы можем контролировать переход состояния среды к возможным событиям с магнитудой 8 и более. Это – мегасобытия. Колебательный процесс становится крупномасштабным, а движения локализуются в очень узкой зоне, с разбросом координат не более 0,5 градуса по широте и долготе. Эти данные получены совместно с Новоселовым при анализе процессов на Кроноцком (1997) и Симуширских (2006 и 2007 ) мегасобытиях.

События с магнитудой около 8 и более происходят при распаде устойчивого колебательного режима. Причем фиксируется короткий инкубационный период. Важно также то, что координаты эпицентра приближающегося мегасобытия лежат в этой же зоне. Фактически могут быть реализованы краткосрочные прогнозы самой эпицентральной зоны и периода опасности мегасобытий. Использование этой методологии – вопрос ближайшего времени.

– А есть ли перспективы у спутникового мониторинга сейсмической опасности?

– При нынешней методологии при отсутствии представлений о физических процессах взаимодействия оболочек Земли перспектив нет никаких. Однако у спутникового мониторинга есть неоспоримые возможности мониторинга больших территорий. Это очень важно для контроля сильнейших сейсмических событий на платформах. Но спутники надо «навести на цель». Необходимо понять физические процессы воздействия на приповерхностную атмосферу поверхностной коры. Эти процессы связаны с ее реакцией на быстропротекающие процессы в граничных структурах блоков, связанные с водородной дегазацией. Необходимы длительные исследования на международных полигонах.

– Вам приходилось слышать о задаче предотвращения сильных землетрясений…

– Постановка этой проблемы носит не научный, а рекламный характер и отвлекает силы и средства от реальных проблем.