Можно ли приручить землетрясение?
Кандидат физико-математических наук Алексей Остапчук, заведующий лабораторией деформационных процессов в земной коре Института динамики геосфер РАН, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики геосистем Московского физико-технического института. Беседу ведёт Наталия Лескова
Землетрясения — это совершенно нормальные, обычные события для нашей планеты. Слабые землетрясения происходят постоянно и каждый день.
— Алексей Андреевич, считается, что краткосрочный прогноз землетрясений на сегодня невозможен. Правда ли, что ваши исследования изменили это представление?
— Пока только в лаборатории. В природе, к сожалению, краткосрочного прогноза на сегодняшний день действительно не существует. Связано это с тем, что слишком большое количество факторов определяют сам момент начала землетрясения. Если сейсмологи научатся давать прогноз с временны'м интервалом сутки—несколько суток, это будет грандиозный прорыв. Также стоит помнить, что прогноз предполагает точное определение места и магнитуды события.
— Однако в вашей лаборатории, насколько я знаю, идут работы, связанные с прогнозированием землетрясений. О чём речь?
— Сначала скажу о базовых вещах. Землетрясения — это совершенно нормальные, обычные события для нашей планеты. Слабые землетрясения происходят постоянно и каждый день. Они могут быть как природного происхождения, так и техногенного. Так, землетрясения магнитудой 2—3 инициируются при проведении взрывных работ на карьерах при разработке месторождений полезных ископаемых. Извержения вулканов тоже порождают такие события. Даже проезжающий поезд метро создаёт колебания, которые вызывают «трясение земли» на поверхности. Люди всё это ощущают, хотя с тектоническими разломами это не связано. В нашей лаборатории занимаются изучением очагов тектонических землетрясений, которые являются наиболее сильными и разрушительными. Все знают о сильнейших землетрясениях Тохоку в 2011 году, Суматранском в 2004-м или недавнем в Турции. Мы пытаемся объяснить физику тех процессов, из-за которых тектонические землетрясения происходят.
Где и как происходят тектонические землетрясения? Как известно, вся земная кора состоит из литосферных плит, которые движутся друг относительно друга. Вдоль границы литосферных зон формируются тектонические разломы. Вдоль одних разломов плиты ползут медленно с постоянной скоростью. На других разломах формируются особые запертые участки — тектонические «зацепы», где относительное движение прекращается и начитают накапливаться напряжения. Так происходит до тех пор, пока в определённый момент не достигается предел прочности «зацепов» и не формируется разрыв вдоль разлома. Перед самым разрушением «зацепа» за несколько часов—дней можно зафиксировать очень слабые вибрации, частота которых снижается по мере приближения землетрясения. Как представить разрушение «зацепов»? Это как если вы будете проводить рукой по шероховатой поверхности и за что-то зацепитесь. Чтобы двигаться дальше, вам придётся приложить большее усилие, после чего рука резко проскальзывает. Только в природе усилия резко не изменяются. Это самая простая модель прерывистого скольжения, которая объясняет появление землетрясений, она была предложена более ста лет назад.
— Но это только модель, причём одна из многих…
— Именно так. Что на самом деле происходит внутри, мы точно не знаем. Что-то могут сказать геологи, которые изучают участки разломов, где миллионы лет назад зарождались очаги землетрясений на глубинах 5—10 км. Дело в том, что за миллионы лет эти сейсмогенные участки были подняты на земную поверхность и сейчас доступны для изучения. Геологическими методами можно установить, на какой глубине и как давно было землетрясение, определить, какого размера был его очаг и какое строение имели запертые участки разломов в далёком прошлом. Для современных землетрясений геофизики научились постфактум определять размеры очага, место начала разрыва и как быстро разрыв распространялся. Но нам недоступны сведения о строении разломов на сейсмогенных глубинах, где очаги землетрясений формируются «здесь и сейчас».
Пока нет моделей, которые позволили бы точно предсказать, в какой точке и когда стартует разрыв запертого участка разлома, как быстро он будет распространяться и на каком масштабе всё это произойдёт, то есть определить время, место и магнитуду землетрясения. Именно на эти вопросы мы пытаемся ответить в нашей лаборатории.
— Иначе говоря, вы хотите понять, как стартует и развивается сейсмическое событие?
— Да. Как только мы построим физику этого процесса, сможем сделать следующий шаг — создать инструменты воздей-ствия, которые смогут изменять динамику распространения разрыва и влиять на силу землетрясения.
— Непростая задача! Чего же вам удалось достичь?
— На метровом масштабе в лаборатории мы, можно сказать, научились управлять скольжением разломов. Мы можем инициировать и быстрые, и медленные лабораторные землетрясения, можем затормозить разрыв и достичь очень плавного скольжения блоков, когда землетрясения отсут-ствуют. На следующем этапе требуется построить математическую модель процесса. И здесь, к сожалению, а может, и к счастью, всё очень непросто, потому что речь должна идти о моделях, которые позволяют описать не только лабораторные эксперименты, но и динамические процессы в разломах на масштабах в десятки километров.
Мы в лаборатории изучаем физику и создаём математическую модель процессов, которые генерируют сейсмические колебания при скольжении разломов. Потому что как только волна сгенерировалась, для описания её распространения уже есть хорошо развитый математический аппарат и соответствующие волновые уравнения. Мы знаем, как волна будет распространяться в среде, и никакой новой физики тут не нужно.
— Почему важно изучать в лаборатории замедленные процессы? Это поможет при построении моделей?
— Дело в том, что есть разломы, которые постоянно скользят — крипуют, и в этих зонах не происходит сильных землетрясений. А есть запертые участки, где разломы останавливаются, долго стоят и потом резко проскальзывают. И в науке царила «чёрно-белая» точка зрения, что всё либо происходит непрерывно с постоянной скоростью, либо периодически, но всегда быстро.
Сейчас появилось понимание, что это две крайности. На самом деле существует масса других типов событий, которые являются промежуточным звеном: медленные землетрясения и события медленного скольжения. Все эти события вместе с непрерывным крипом и обычными землетрясениями формируют непрерывный ряд режимов скольжения разломов. В этом и заключается сложность. Все модели и алгоритмы прогноза фактически нацелены только на выявление очагов разрушительных землетрясений, которые инициируются при быстрых динамических разрывах.
Однако многие модели, которые хорошо описывают быстрые динамические разрывы, не могут описать инициирование медленных землетрясений и событий медленного скольжения. Сейчас всё чаще появляются сведения, что на одном и том же разломе могут происходить как быстрые, так и медленные землетрясения. Часто наблюдают последовательности, когда после медленного события с небольшой задержкой происходит сильное быстрое событие. Такая последовательность, например, была при землетрясении Тохоку 2011 года. Мы понимаем, что очень важно изучить именно условия формирования различных режимов скольжения и то, как они взаимодействуют. Эти вопросы требуют смены научной парадигмы во взгляде на физику очага землетрясения.
— В чём особенность ваших исследований?
— В России мы первыми начали исследовать медленные землетрясения, а разрабатываемые модели деформационных процессов учитывают возможность появления на одном и том же разломе как быстрых, так и медленных землетрясений. Разбираясь в физике медленных землетрясений, мы лучше понимаем физику сильных и быстрых.
При построении моделей мы, прежде всего, учимся определять структуру той зоны, где формируются сильные землетрясения. Но если сильные землетрясения происходят очень редко, то слабые землетрясения в той же области случаются постоянно. Разработанные в нашей лаборатории особые алгоритмы анализа очагов слабых землетрясений позволяют получить важную информацию о том, как устроены области зарождения сильных землетрясений. Такие алгоритмы работают как в лаборатории, так и в натуре. Это сродни тому, как создаётся дифракционная картина на отдельных электронах. Чтобы получить отчётливую дифракционную картину, электронов должно быть много. Так и здесь — изучая слабые землетрясения, мы видим всю структуру зон зарождения сильных землетрясений: где разрыв стартует, где останавливается, как очаги землетрясений влияют друг на друга.
Другая составляющая моделей — механика скольжения разломов и физика очага землетрясения, как быстрого, так и медленного. Здесь мы проводим уникальные в своём роде эксперименты по управлению режимом скольжения разломов. Вот было быстрое событие. Изменяя структуру разлома, мы можем замедлить его скольжение. Так мы получим медленное событие.
— Почему это важно? Медленное событие не будет столь разрушительным?
— При формировании очага медленного землетрясения энергия накапливается такая же большая, как при быстром. Накопленная энергия упругой деформации расходуется потом на многие процессы — на разрушение контакта и распространение разрыва, на преодоление сопротивления при проскальзывании разлома и, конечно же, на излучение сейсмических колебаний. Так вот, при медленных землетрясениях энергии копится столько же, сколько и при быстрых, но на излучение сейсмических колебаний идёт существенно меньшая её доля. А так как все разрушения происходят из-за распространения и воздействия сейсмических колебаний, то чем меньше сейсмическая энергия, тем меньше разрушений и жертв.
— Было бы здoрово ещё и научиться эту энергию использовать для решения каких-то насущных проблем человечества. Как думаете, когда-нибудь получится управлять землетрясениями — снижать их интенсивность, направлять в мирное русло?
— Уверен, что да.
— Как вы себе это представляете?
— Мы уже достаточно хорошо знаем, где формируются очаги сильных землетрясений. Но для того, чтобы контролировать долю излучаемой сейсмической энергии, мы должны лучше понять физику процессов, протекающих в очаге землетрясений. Сейчас есть понимание, что если мы хотим изменить силу события, снизить долю энергии, которая высвободится в виде упругих колебаний, нам надо изменить свойства среды, где будет резкое проскальзывание по разлому.
— Каким образом это можно сделать?
— Наиболее вероятным представляется бурение системы скважин в зонах возможного формирования очагов сильных землетрясений и закачивание жидкостей с определёнными свойствами, например, нанофлюидов или дилатантных жидкостей*. Это тоже область дальнейших очень сложных исследований. В лаборатории мы всё это делаем, но понятно, что нужны более масштабные эксперименты, приближенные к реальным условиям.
— Вы предлагаете ставить такие эксперименты прямо в тех зонах, где могут произойти землетрясения?
— Да, потенциальные места мы знаем. Важно, что это малонаселённые области. Технологии бурения уже точно имеются. Но сейчас ясно, что нельзя закачивать просто воду, — это должны быть определённые флюиды, способные изменить свойства среды, её прочностные и реологические характеристики.
— Не опасны ли такие эксперименты? Ведь можно сделать ещё хуже — и тогда мы ненароком устроим себе конец света…
— Опасность есть. Если действовать бездумно, то можно неконтролируемо инициировать сильное землетрясение. Чтобы не произошло трагедий, необходимо всё проводить в малонаселённых областях, хорошо зная технологию и понимая, как она работает в условиях изменчивости среды на масштабах нескольких километров.
Важно также понять, в какой момент надо начинать закачивать флюид, чтобы он распространился на нужную площадь и реология среды изменилась. Но до тех пор, пока мы не знаем, когда и какое именно событие произойдёт, делать такие эксперименты, наверное, нежелательно, потому что это может оказаться просто выливанием денег в трубу в самом буквальном смысле.
Вот почему нам важно понять, как скользят разломы и как зарождаются очаги медленных землетрясений. Это позволит улучшить краткосрочный прогноз землетрясений, а впоследствии минимизировать человеческие жертвы и экономические потери.
Фото предоставлены Алексеем Остапчуком.
Комментарии к статье
* У дилатантных жидкостей вязкость возрастает при увеличении скорости деформации сдвига.
Статьи по теме
- Землетрясение: успеть спастись
- Землетрясение: возможен ли прогноз?
- Медленное землетрясение по-новозеландски
- Прогноз землетрясений: необходимые и достаточные условия
- Землетрясение и цунами в Японии
- Землетрясения под замком
- Животные — предсказатели землетрясения
- ПРЕДВЕСТНИКИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
Читайте в любое время
