Что изучает криосейсмология и чем отличается землетрясение от льдотрясения – рассказывает Галина Антоновская, член-корреспондент РАН, доктор технических наук, заместитель директора по научной работе Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики им. академика Н. П. Лавёрова Уральского отделения РАН.

— Галина Николаевна, что это такое криосейсмология и что она изучает?

Галина Антоновская, член-корреспондент РАН, доктор технических наук, заместитель директора по научной работе ФИЦКИА УрО РАН. Фото Андрея Афанасьева.

— Криосейсмология – это активно развиваемое направление науки по изучению динамики ледников. Она изучает сейсмические волны, генерируемые на границах лёд-океан или лёд-земная поверхность, связанные с движением, разрушением или ростом ледниковых покровов, а также сейсмические волны, генерируемые при различных деструктивных процессах в криолитосфере.

Процессы деструкции ледниковых покровов принято называть льдотрясениями. Образование ледниковых трещин было известно полярным исследователям с конца XIX века. Но полярные регионы в те времена привлекали мало внимания исследователей, так как эти районы обладают низким уровнем сейсмической активности. Ситуация резко изменилась после сообщения о так называемых «ледниковых землетрясениях» в начале XXI века, зафиксированных в Гренландии.

Открытие ледниковых землетрясений привело к развитию широкого спектра новых геофизических исследований, также потребовалось изменить параметры наблюдательных сетей по сравнению с классической сейсмологией: расширения частотного и динамического диапазонов регистрации, подключения инфразвуковых наблюдений и так далее. Начались многочисленные теоретические и экспериментальные исследования планетарных криогенных сейсмических явлений, хотя свойства льда и мёрзлых грунтов систематически изучались ранее, в том числе и российскими учёными. Тем не менее, это достаточно новое направление для нашей науки. Сейсмические сети установлены на Шпицбергене, в Гренландии, в Антарктиде, учёные проводят исследования динамики ледовых куполов, изучают образование трещин и айсбергов, определяют толщину ледового покрова с использованием различных сейсмических методов. В Российской Арктике наш Центр стал первопроходцем в этом направлении.

— Подвижки льдов связаны с глобальными климатическими изменениями?

— Безусловно, они связаны с климатическими изменениями в Арктике, которые здесь проявляются очень ярко. Есть показатели по Карскому морю: за последние лет 30 температура изменилась на четыре градуса в сторону потепления. Даже мы это видим: я живу в Архангельске, который приравнен к арктической зоне, и здесь произошёл сдвиг сезонов минимум на месяц. При этом зима стала мягче, наблюдается затяжная весна и осень, лето стало короче. В арктической зоне климатические изменения проявляются ещё ярче.

— Правда ли, что арктические ледники тают?

— Да. Учёные во всем мире стараются понять, с какой скоростью ледники тают, что с ними происходит, какие процессы провоцируют подвижки ледников. Изучением этих процессов занимается наука гляциология. А сейсмология позволяет получить дополнительные, не менее важные сведения об изменениях напряженно деформированной среды того или иного ледового купола либо ледяной площадки. Вот так и появилась наука криосейсмология.

— Что это значит – «изучать изменения напряжённо деформированной среды»?

— Это значит вести мониторинг динамики ледника или ледового покрова, проводить оценку его состояния, что важно для прогнозирования образования трещин, разрушений, образования айсбергов. Сейсмические методы позволяют выявить предпосылки к разрушению льда при изменениях его пластических свойств. Но для этого нужна густая сеть сейсмических датчиков.

— Значит, льдотрясения никак не связаны с возможностью возникновения землетрясений? Мы ведь привыкли, что сейсмология занимается именно ими.

— В данном случае нет. Здесь сейсмология пришла на помощь гляциологии. Разнообразные сейсмические наблюдения нужны для большего понимания процессов, протекающих внутри ледовых куполов или на морском льду. Это важно ещё и потому что сейчас идёт развитие Северного морского пути, планируется навигация. Одним из факторов опасности – айсберги. Понятно, что мы не можем снабдить все айсберги GPS-системой и следить за их движением, что позволило бы, в конечном счёте, своевременно корректировать маршрут того или иного корабля. Нет. Надо для начала оценить фактор опасности и сделать прогноз по образованию айсбергов. Сейсмология в этом плане может дать дополнительную информацию как раз по мониторингу напряжённо-деформированной среды.

— В чём конкретно заключается ваша научная работа?

— В настоящее время мы ведём исследования по двум направлениям. Это составление криосейсмологического бюллетеня, включающего информацию по зарегистрированным льдотрясениям. Второе направление – это разработка методики по оценке состояния припая. Припай – это намёрзший лёд у береговой зоны, простирающийся на расстояния от нескольких метров до сотен километров. Оценка деформационных процессов, происходящих в припае – это актуальная задача. Она связана, например, с производимыми операциями выгрузки транспортных судов через припай на необорудованный берег. Бывали случаи, что на припае создавались экстренные посадочные полосы для авиации. С помощью сейсмических станций, установленных вблизи береговой линии или даже на морском льду, можно получить дополнительную информацию о состоянии припая.

Фото Андрея Афанасьева.

— Насколько сильными могут быть льдотрясения?

— По магнитуде – 1.0-1.9. Конечно, их нельзя сравнивать с землетрясениями, однако изучать их не менее важно. Первого апреля этого года вышел патент: наш коллектив разработал способ разделения локальных событий, именно землетрясений, от льдотрясений по данным всего лишь одной сейсмической станции, причём по станции, установленной в грунте, а не на леднике. Почему мы стали разрабатывать эту методику? У нас стоит всего одна сейсмическая станция на архипелаге Северная Земля, и перед нами встал вопрос: какова природа регистрируемых локальных событий – это землетрясение или льдотрясение? При наличии сети сейсмических станций, в том числе установленных на леднике, такой вопрос решается весьма тривиально. Но по одной станции, установленной в грунте, задача становится «со звёздочкой». Но что называется, «голь на выдумки хитра».

— И что вы придумали?

— Итак, мы столкнулись с проблемой: что мы регистрируем – локальное землетрясение или льдотрясение? По величине магнитуды, длительности события, месту локации разделить их не представляется возможным. Чтобы их дифференцировать, мы привлекали различные подходы. Один из них – спектрально-волновой анализ, анализ корнер-частоты и различные статистические методы. В результате нам удалось разработать очень эффективный способ, который мы уже применяем в работе.

— А как вообще получилось, что сейсмическая аппаратура стала использоваться не только для сейсмических исследований?

— Сейсмические наблюдения, по сравнению с точечными гляциологическими измерениями в скважинах, охватывают большие территории. Многие методы, используемые сейчас в криосейсмологии, особенно обнаружение и обработка сигналов, уже апробированы в сейсмологии вулканов.

Установка оборудования во льду – это классический подход, позволяющий более точно и эффективно сказать, что то или иное событие связано с процессами в ледниках. Но мы, к сожалению, пока не можем позволить себе подобную роскошь. Мы не устанавливаем станции на леднике, потому что наша первоочередная задача – это регистрация арктических землетрясений. Выделение событий, связанных с активизацией ледников – это, как бы сказать, побочный эффект, выявленный нами на записях сейсмических станций.

Фото Андрея Афанасьева.

Но, например, наши российские коллеги из Кольского филиала Единой геофизической службы РАН занимаются именно исследованиями ледниковой активности, они устанавливают временные сейсмические станции на ледниках архипелага Шпицберген. Но это не российская территория, а наш Центр стал первым, кто начал изучать ледниковую активность, создавать бюллетень криосейсмологических событий для Российской Арктики. В полярном регионе у нас есть ряд сейсмических станций, установленных на архипелагах Северная Земля, Земля Франца-Иосифа, Новая Земля. Сложность состояла в том, что станции стоят не на самом леднике, а на грунте. Именно с этим у нас появилась задача разделения событий по их природе. Другая трудность – это практически только одна сейсмическая станция на архипелаг, что сильно усложняет локацию местных слабых событий, к которым относятся в том числе и льдотрясения. Нужно минимум три станции.

— И тем не менее ваши данные достаточно точные?

— Достаточно точные для анализа данных по одной станции. При этом мы регистрируем огромное количество микроимпульсов. Надо сказать, что за рубежом практически отсутствуют статьи по анализу ледовых микроимпульсов, они считаются шумом. Мы же проанализировали этот «шум» и выяснили, что он связан с напряжённо-деформированным состояниям припая. В сутки подобных микроимпульсов может регистрироваться до 1000 штук! Понятно, что вручную обработать такой поток событий невозможно, и мы разработали программу по выделению и анализу микроимпульсов.

— И каковы первые результаты?

— Мы проанализировали данные за семь лет наблюдений и выяснили, что поток микроимпульсов напрямую связан с температурными факторами и процессами, происходящими внутри припая. Например, информация о трещинах при прогнозе основных линий взлома припая в весенне-летний период, особенно в зонах функционирования разведочных буровых установок на шельфе, является не только актуальной, но и недостаточно изученной. Наши исследования показывают, что даже по данным одиночной сейсмической станции есть возможность вести мониторинг нарушения сплошности ледяного покрова, что может служить дополнительным и независимым параметром при мониторинге ледовой обстановки. Это такой «запасной парашют», дополняющий гляциологические наблюдения и исследования из космоса. Нам есть куда расти и развиваться, и это прекрасно!

Материал подготовлен в рамках пресс-тура в Архангельскую область, организованного проектным офисом «Десятилетие науки и технологий» АНО «Национальные приоритеты».