Земля испускает водородный дух

Геологи внутри одной из гигантских трещин, раскрывшихся в результате землетрясения в Иудейской пустыне в 10 километрах северо-западнее горы Содом, Израиль.  Фото из архива Иосифа Гуфельда

– Иосиф Липович, насколько актуальна сейчас проблема предупреждения населения о приближающейся сейсмической опасности в определенной зоне?

– Мы знаем все регионы мира, где возможны сильнейшие события. Полагают, что за последний миллион лет, и даже чуть более, сейсмический режим не изменился. Последствия редких сильнейших сейсмических событий весьма печальны и существенно искажают среднюю ежегодную статистику. События в Китае в 1976 году и на Суматре в 2004 году с числом погибших более 250 тыс. человек, событие в Китае в 2008 году – более 80 тыс. погибших... В СССР Ашхабадское событие в 1948 году унесло жизни более 100 тыс. человек. Можно продолжить этот список страшными событиями в Индии, Мексике, Японии…

И одно из шокирующих для геофизической науки событий произошло недавно в Японии. Март 2011 года, на расстоянии около 150 км от многочисленных станций мониторинга. Приближения этого события не заметили. Ведущие страны прекратили мониторинг краткосрочной сейсмической опасности. На вопрос, какие параметры среды нужно контролировать, ответа не было.

– Десятки лет многочисленных исследований сейсмической опасности. Что стало уже понятным?

– Впервые научные представления о природе землетрясений были высказаны американским ученым Гарри Рейдом в начале прошлого века после сильнейшего землетрясения в Сан-Франциско. Землетрясение (сам этот термин годится только для газетных статей) вызвало значительные горизонтальные сдвиги на поверхности одних структур относительно других. Сам «разрыв» как бы вышел на поверхность. Закон Гука в то время был известен, поэтому объяснения природы происшедшего события были на тот период времени однозначны: увеличение деформаций и при превышении ими предела прочности – разрыв среды. То есть сейсмический акт можно было представить трещиной или разрывом.

– В чем суть новых данных?

– Главным потрясением для приверженцев механических представлений стало понимание того, что сейсмический акт не является трещиной или разрывом среды. Эти идеи академика Михаила Садовского нашли подтверждение в реальном сейсмическом процессе. Сейсмический акт – это быстрые подвижки элементов среды относительно друг друга на различных масштабных уровнях. Садовский говорил, что если бы механическая модель соответствовала реальности, то среда давно бы превратилась в песок и «землетрясений» вообще бы не было.

Непосредственно из модели Садовского следует отсутствие зоны подготовки сильных землетрясений. Эта зона долго выступала палочкой-выручалочкой, позволяющей любые аномалии самых различных полей в ней отождествлять с предвестниками сейсмических событий на расстояниях в тысячу и более километров и в широком диапазоне времени упреждения, вплоть до сотен лет.

В качестве предупреждения об опасности это не имеет вообще смысла. Но эти оценки делались лишь после сейсмического акта. Что ожидали в этой зоне? В ней должны были бы увеличиваться напряжения и расти деформация до предельной в локальной неопределенной области. Вот только незадача – не могут увеличиваться напряжения в литосфере. С глубин около 5–7 км за счет литостатического давления среда переходит в трещиноватое состояние, на этой глубине достигается уже предел упругости. При наличии флюида происходит дополнительное микроразрушение. Более высоких напряжений достичь нельзя, поэтому и не может идти речь о накоплении дополнительных напряжений, среда уже находится в почти предельном по упругой энергии напряжении.

Сильные события вообще не могут происходить в этих условиях в рамках механических моделей. Однако они происходят. Большинство сильнейших сейсмических актов происходят на уже существующих границах блоков и литосферных плит. И это не разрыв или трещина, а быстрая подвижка блоков относительно друг друга. Элементы среды всегда находятся в движении, то есть в критическом состоянии и практически на грани «срыва».

– Как давно были сформулированы эти представления?

– Они сформулированы на основе работ 50-х годов прошлого века академика Григория Гамбурцева и несколько позднее – члена-корреспондента АН СССР Юрия Ризниченко. А в начале 80-х годов прошлого века идеи и расчеты академика Садовского и профессора Виктора Николаевского практически похоронили механические представления о сейсмическом процессе.

Было получено много новых данных, но совсем не тех, что ожидали в рамках механических представлений. Никаких предвестников землетрясений не обнаружили – и не могли обнаружить, так как поиск осуществлялся в поверхностном и ненагруженном слое литосферы.

Однако была обнаружена непрерывная изменчивость параметров поверхностного слоя на различных временных интервалах, начиная с десятков минут, и на различных горизонтальных масштабах, в том числе на сотнях метров. 

И возникли вопросы. Почему наблюдают непрерывную слабую сейсмичность в литосфере при весьма небольших скоростях движения блоковых структур? Почему наблюдается удивительная контрастность взаимного перемещения блоков и плит в зоне субдукции – «подныривания» литосферных плит одна под другую?

Но была еще одна проблема, к которой не находили подходов. Это – природа глубокофокусных сейсмических событий, к которым относят акты глубже 30–40 км (так называемая зона Мохоровичича) и вплоть до 700 км. Там давление выше лежащей толщи пород настолько велико, что не может быть и речи о формировании трещин и подвижек элементов среды относительно друг друга.

Более того, на этих глубинах дополнительные локальные напряжения вообще не могут возникнуть. Чтобы возникли дополнительные напряжения на глубинах 200–700 км необходимо сдвинуть атомы из положения равновесия в больших объемах таким образом, чтобы расстояния между ними увеличились или уменьшились. Тогда возникли бы напряжения сжатия или растяжения.

Глубокофокусные события чаще всего связывали с фазовыми переходами и полиморфными превращениями. Однако реально необходимых условий по температуре и давлению в объемах, точки которых лежат на существенно различающихся глубинах, достигающих сотен километров, достичь невозможно.

Так что там происходит, если разрыв или подвижки невозможны и почему наблюдается периодичность?!

– Вы опять обращаете внимание на роль водородной дегазации? Еще в 2005 году, сразу после суматранского землетрясения, в «НГ-науке» (№ 5 (97) у вас вышла статья с символическим названием: «Земля – дырявый водородный шарик».

– Да, была показана периодичность скорости сейсмических волн в верхней мантии, а также периодичность глубокофокусных событий в интервале 6–12 лет. В среде непрерывно происходят вариации ее параметров, а периодичность событий указывает на процессы накопления действующего фактора в определенных структурах. Очевидно, что этим фактором может быть только водород – как атом внедрения, диффундирующий в вертикальном направлении.

Возникал вопрос, может ли водород «застрять» в каких-либо структурах? Таковыми могут быть аморфно-кристаллические структуры, формирующиеся с глубин 600–700 км. Можно предположить, что непрерывная подпитка мантийных структур водородом осуществляется потоками из нижней мантии и ядра. Блокировка диффузии водорода по мере его накопления в этих структурах может осуществиться за счет перемещения групп атомов водорода в направлении диффузии.

Пересыщенные твердые растворы водорода могут представлять блокировочные структуры в условиях больших давлений. Для наблюдателя эта блокировка представляется в виде «зацепления», которое при еще большем увеличении давления водорода в аморфной структуре может «разрушиться», – аналог разрушения механического зацепления. Однако это не механическое «разрушение».

– Я правильно понимаю, что энергия сейсмической волны от глубокого события будет зависеть от количества выброшенного или вытолкнутого водорода из одной структуры в расположенную выше?

– Правильно. Речь идет о таких процессах в верхней мантии. Но точнее говорить о первом взрывном вытеснении водорода при сейсмическом акте в вышележащие горизонты верхней мантии. И далее – более медленный процесс эстафетного вытеснения водорода последовательно из нижележащего горизонта – в вышележащий. И так вплоть до границы Мохоровичича.

Эстафетная модель выноса водорода в верхней мантии обеспечивает быструю реакцию литосферы на глубокофокусные события и отражается на поверхностном рельефе. И это указывает на «заполненность» среды водородом.

Это подтверждается, например, данными после сильнейшего глубокофокусного охотоморского события, происшедшего 24 мая 2013 года на глубине 680 км. Его магнитуда было около 8,2. Область, из которой был вытеснен водород, огромная. По длине и широте это 300 и 170 км, диапазон глубин 425–720 км.

– Идеи о влиянии водородной дегазации вызывают неприятие многих сейсмологов. Есть ли аргументы в их критике, в особенности по процессам в литосфере?

– Неприятие есть, аргументов нет. Наши аргументы основаны на исследованиях многих специалистов. Мы учитывали рекомендации Садовского: экспериментальная геофизика это не экспериментальная физика. Наблюдения в геологической среде нельзя было интерпретировать с позиций физики и механики разрушения крошечного лабораторного образца. Да и масштабы совсем не те. В реальной литосфере непрерывная слабая сейсмичность размыта в пространстве и по глубине, а сильнейшие события случайны в пространстве и времени.

– У вас есть понимание того, почему фоновый сейсмический режим нарушается и могут происходить катастрофические события?

– Сейчас можно говорить о том, что сейсмичность является реакцией геологической среды на водородную дегазацию. Это не механическая реальность, здесь другая физика, и она требует принципиально нового представления и подходов.

Сейсмичность в верхней мантии вызвана деформацией водородной подрешетки структуры и сбросом водорода в вышележащие горизонты. А в литосфере сейсмичность связана с быстрыми подвижками элементов среды относительно друг друга. Причем характер сейсмичности в литосфере определяется параметрами граничных структур между элементами, контролируемых взаимодействием с водородом.

В фоновый период мы наблюдаем более или менее равномерное распределение слабой сейсмичности в литосфере по всему пространству. Эта ситуация также уверенно контролируется по анализу уравнения эволюции состояния среды. Однако совершенно неожиданно пространственно распределенный по зоне сейсмический режим обрывается и концентрируется на очень короткое время в локальной зоне, координаты которой хорошо фиксируются. Этот переход происходит в часы. Время же существования локальной зоны составляет от часов до нескольких месяцев. Мы назвали эту зону локальным сейсмическим узлом. Во время существования этого узла происходили сильнейшие сейсмические события на Камчатке, Курильских островах, в Японии, Чили. Фактически заранее определялись координаты эпицентральной зоны ожидаемого сильнейшего события.

– Связана ли сильная сейсмичность в литосфере с активизацией водородной дегазации в верхней мантии?

– Вы правы. Мы начали внимательно смотреть так называемую всплывающую сейсмичность. Этот феномен был обнаружен в самом начале 90-х годов Всеволодом Вадковским, сотрудником МГУ им. Ломоносова. Вадковский наблюдал развитие слабой сейсмичности в диапазоне глубин 70–20 км в виде столба с поперечником 10–20 км. Эти столбы получили название «сейсмические гвозди». Позднее сотрудники МГУ обнаружили такие «сейсмические гвозди» в различных регионах мира. Однако объяснить их физическую природу не могли, как и не могли обнаружить их связи с сильными событиями. Без специально разработанной методики это было сделать трудно.

Интересным было то, что в «сейсмическом гвозде» распределение гипоцентров событий во времени было хаотичным, что полностью исключало действие механических факторов. В связи с этим была разработана для региона пошаговая (после каждого сейсмического события) методика анализа ситуаций. Это позволяет в реальном времени отслеживать сейсмическую обстановку в пространстве – широта, долгота, глубина.

Оказалось, что «сейсмические гвозди» сопровождали все отмеченные выше сильнейшие сейсмические события. Причем они активизировались в верхней мантии с глубин около 80–100 км, далее «всплывали» к зоне Мохоровичича и проникали в литосферу «сквозь» эту зону. В короткий период «сейсмического гвоздя» в литосферу вбрасывается значительное количество водорода. Заметим, что речь идет о водороде как атоме внедрения в структуре твердого тела. Как мы говорили, среда уже находится в предельном по энергонасыщенности состоянии, в непрерывном движении и на грани срыва. Это фоновое состояние поддерживается непрерывным квазипостоянным потоком водорода из верхней мантии.

Можно ли контролировать этот поток в верхней мантии? Представьте пространственное сопло, ячейки которого имеют диаметр в несколько ангстрем. Через такие ячейки структуры «продавливается» водород. Реакцией структуры на этот процесс может быть шумовой фактор. Такие шумы, как мы полагаем, удалось выделить доктору физико-математических наук Алексею Любушину (Институт физики Земли РАН). Но пространственные вариации этих шумов прямо не могут быть связаны с сильнейшими сейсмическими событиями в литосфере. Они отражают жизнь верхней мантии.

Возбуждение локального «сейсмического гвоздя» – фактически триггер, переводящий среду из фонового в критическое состояние, релаксация которого реализуется через крупномасштабные подвижки, то есть сильные сейсмические акты в литосфере. Но положение в пространстве «сейсмического гвоздя» случайно, а физика этих событий, по-видимому, связана также с процессами блокировки и накопления водорода в этих зонах.

– Учитывая все вышесказанное, как вы оцениваете возможность предупреждения населения о сейсмической опасности, это может быть реальным?

– Нужно учитывать, что – это понятно уже многим – отсутствуют долгосрочные и среднесрочные предвестники сильных сейсмических событий в сейсмических и геофизических данных. Такие предвестники могли быть только при механических процессах подготовки некоторых сейсмических актов. У нас же совсем другая среда и действующие процессы.

Обнаружение «сейсмических гвоздей» дает основание для оптимизма. Во-первых, мы точно будем знать эпицентральную зону. Во-вторых, существует короткий инкубационный период от момента появления «сейсмического гвоздя» до возможного сильнейшего события. Так, перед рядом событий на Камчатке и в Чили инкубационный период составлял всего несколько часов. Перед кроноцким событием с магнитудой 7,0 – около трех суток, перед событием в Японии с магнитудой 9,0 – около 50 часов, для Симуширского события на Курилах с магнитудой 8,2 – около одного месяца.

Следует заметить, что сильнейшее событие может произойти в любой момент инкубационного периода. Сейчас у нас накоплен еще небольшой опыт, но мы видим ряд особенностей возбуждения «сейсмических гвоздей» и их динамики на различных глубинах, уменьшение хаотизации элементов среды относительно друг друга перед появлением «сейсмического узла».

Эти данные, наряду с фиксацией точной эпицентральной зоны, позволят принять более адекватное решение в зависимости от перекрытия эпицентральной зоной территории крупных городов и промышленной инфраструктуры. Представляется необходимым учет также результатов тепловой съемки поверхности Земли спутниковыми методами, реализуемой в настоящее время доктором физико-математических наук Сергеем Пулинцом (Институт космических исследований РАН).

– Вы все время говорили о зонах субдукции. А как быть с сейсмичностью на платформах – Китай, Индия, Пакистан, Турция, Средняя Азия?

– С точки зрения физики сейсмического процесса его черты будут похожими. Масштабы необходимого мониторинга огромные. На всем этом масштабе имеем связанную разломно-блоковую структуру и непрерывную разномасштабную динамику процессов, обусловленных водородной дегазацией. Здесь не имеют смысла методы локального и поверхностного мониторинга (радон, деформация, уровень воды и др.), так как на их основе нельзя отразить пространственные разномасштабные динамические процессы в среде.

Разработанный метод разномасштабного анализа пространственно-глубинных особенностей сейсмического процесса представляется пока единственным способом оценки сейсмотектонических ситуаций громадных территорий. Мы одновременно контролируем сейсмичность всей платформы и в любой момент можем анализировать изменение локальных ситуаций.

– Могли бы вы прокомментировать итоги нынешнего состояния работ по сейсмической опасности?

– Главным итогом почти 50-летних исследований физики землетрясений является сформировавшееся осознание того, что землетрясение и вообще сейсмический процесс необходимо рассматривать в рамках реальной геологической среды с учетом процессов, протекающих в ней, а не на основе физики и механики разрушения образцов породы или исследований землетрясений на столе. Оценки сейсмической опасности становятся физически понимаемыми. В этом заслуга коллективов многих геофизических и геологических институтов и их специалистов различного профиля.