Современное состояние проблемы прогноза землетрясений

Современные модели подготовки землетрясений построены  на основании сопоставления опыта  лабораторного моделирования и  результатов полевых наблюдений сейсмичности. Теоретическую основу составляют представления механики и физики разрушения материалов и  горных пород. Акт землетрясения рассматривается как итог долговременной эволюции трещинообразования в земле. В разных моделях уделяется различное внимание масштабу рассматриваемых геологических разрывов – трещин, их расположению в пространстве, дополнительным физико-механическим факторам, влияющим на протекание процесса трещинообразования [10]. Здесь описываются только наиболее разработанные модели, претендующие на объяснение природы предвестников.

Модель  лавинно-неустойчивого  трещинообразования (ЛНТ)

Модель создана специалистами института “Физика Земли”. Суть модели состоит в том, что различные стадии образования трещин (разных масштабов), сопровождаемые изменениями скорости деформирования в очаговой области и вне ее, неизбежно ведут к изменениям физических свойств среды. Отражается это и в вариациях сейсмического режима, т.е. изменениях числа слабых землетрясений, их величины и пространственного расположения [9].

Одна из таких  ситуаций недавно проверялась Г.А.Соболевым  в лаборатории на простой модели землетрясения, развивающегося в условиях долговременного сейсмического затишья. На множестве образцов размером от десятков сантиметров до нескольких метров были прослежены все этапы образования трещин и установлены три главные стадии подготовки микроземлетрясения [9].

На первой стадии постепенно накапливались трещины, размер которых на несколько порядков меньше главного разрыва. Затем мелкие разрывы объединялись в более  крупные. Н а заключительной стадии образование разрывов лавинообразно  нарастало, причем все они локализовались в области будущего главного разрыва. Характерно, что даже в такой упрощенной модели удалось выделить периоды повышения сейсмической активности и затишья, аналогичные наблюдающимся перед реальными землетрясениями [9].

Эксперименты  подтвердили справедливость основных положений модели ЛНТ. В частности, было доказано, что изменения поля упругих деформаций и сейсмического режима можно рассматривать как долгосрочные предвестники. Однако в рамках данной модели пока не удалось обнаружить надежные краткосрочные предвестники [9].

На объяснение природы долгосрочных предвестников  претендует и гипотеза подготовки землетрясения  за счет уплотнения вещества, предложенная И.П.Добровольским. Последняя стадия процесса подготовки объясняется в  ней все тем же лавинно-неустойчивым трещинообразованием [9]

Дилатантно-диффузионная (ДД) модель

Модель ДД разработана  американскими учеными. В ней  проявление предвестников объясняется  поступлением воды в очаговую зону будущего землетрясения, после того как из-за резкого роста тектонических напряжений там начинается массовое образование микротрещин. В последнее время эта модель дополнена количественными оценками. Рассматривая вариант так называемого мягкого включения, Дж. Райс показал, что состояние динамической (сейсмической) неустойчивости в реальном массиве пород должно наступать с запаздыванием, так как изменяется внутрипоровое давление и начинается фильтрация жидкости. Если исходить из предполагаемой скорости увеличения механических напряжений в сейсмоопасном районе, равной 1кг/ кв см в год, то расчетное время “запаздывания” землетрясения по сравнению с началом фильтрации воды в очаговую зону должно составлять несколько месяцев, т.е. этот эффект приложим только к долгосрочным и среднесрочным предвестникам. Вопрос о природе краткосрочных предвестников в рамках данной модели остается открытой [9].

Модель  “крип” - постепенно ускоряющееся движение бортов уже существующего  разлома

В разных странах  широко развивается гипотеза появления  землетрясения за счет крипа –  постепенно ускоряющееся движение бортов уже существующего разлома. Классические лабораторные эксперименты в рамка этой гипотезы выполнил в США Дж.Дитрих. Перед подвижкой, рассматриваемой как аналог землетрясения, на лабораторной модели землетрясения последовательно наблюдались два явления. Вначале регистрировался медленный (несколько сантиметров в секунду) крип. Затем вдоль разлома или его части он экспоненциально ускорялся (до десятков и сотен метров в секунду), завершаясь динамической подвижкой и излучением сейсмических волн. Несмотря на привлекательность модели, при объяснении природы краткосрочных предвестников землетрясений она также наталкивается на ряд трудностей. Во-первых, остаются непонятными большой ареал распространения таких предвестников, а также обширность области их генерации. Во-вторых, даже в районе разлома Сан-Андрес в Калифорнии, где данная модель работает наилучшим образом, перед большинством землетрясений зарегистрировать краткосрочные предвестники не удалось. Возможно, это объясняется малой областью развития крипа, предшествующего неустойчивому распространению разрыва. В таком случае обнаружить предварительную миграцию крипа как краткосрочный предвестник принципиально возможно, но практически трудно выполнимо [9]

Можно привести еще много моделей подготовки землетрясений, таких как: модель консолидации, модель неустойчивого скольжения, модель фазовых превращений и др., но при их детальном рассмотрении оказывается, что достоинства модели перекрываются ее недостатками.

Все рассмотренные  выше модели основаны на попытке воспроизвести изучаемый процесс, происходящий в природе, на модели. Но при моделировании землетрясений в лабораторных условиях следует, строго говоря, соблюсти условия подобия процессов в натуре и модели. Горные породы же в лабораторном эксперименте не могут моделировать самих себя в естественных условиях. Кроме того, бесполезно моделировать все свойства естественного процесса в одном опыте [10].

В лаборатории  мы выбираем модель линейного развития процесса, но в природе не существует чисто линейных процессов. Помимо этого, для моделирования в лаборатории надо знать начальные параметры изучаемого процесса, а их определение с необходимой точностью невозможно, но даже исследование этого дает поведение системы только в определенных условиях. А значит, моделирование не дает возможности прогнозировать исследуемый процесс. В настоящее время моделирование не всегда приводит к желаемым результатам, но возможно, со временем, придет новое понятие поведения этой системы, и ученые добьются желаемого результата.

6.2. Алгоритм КН - ретроспективный  анализ 

Алгоритм КН предложен для среднесрочного прогноза землетрясений, т.е. прогноза, в котором  тревога объявляется на несколько  лет. Алгоритм КН был разработан около 20 лет назад путем ретроспективного анализа каталогов землетрясений Калифорнии и Невады., отсюда и его название. Он принадлежит к семейству алгоритмов, основанных на анализе характерных особенностей, возникающих в общем потоке землетрясений перед сильным землетрясением [6].

Дадим качественное описание алгоритма КН. Сильное землетрясение определяется условием М>Мо, где М-магнитуда, а Мо выбирается так, чтобы средний интервал времени между сильным землетрясением в исследуемом регионе был достаточно большим, практически 7-10 лет. Тревога объявляется, если группирование землетрясений велико, сейсмическая активность высока и продолжает расти, и рост сейсмической активности предварялся затишьем [6,7].

Результаты испытаний  алгоритма КН на независимом материале  следующий: за рассмотренный период времени в исследованных регионах произошло 29 сильных землетрясений, диагностированы 23 из них; средняя продолжительность тревоги на сильное землетрясение – 1,8 года [6,7] . 

Глава 7. Специальное заседание  Отделения геологии, геофизики, геохимии и горных наук АН СССР 1989 года

Академик  В.И.Кейлис-Борок.

Почему долгосрочные прогнозы пока не точны? И почему не удаются краткосрочные прогнозы? Главная причина – хаотический  характер динамики сейсмо-активных разломов в том масштабе времени, который  как раз и интересен для  прогноза, т.е. годы и месяцы. В системе разломов действуют много механизмов, создающих сильную неустойчивость. Например, миграция флюидов – циркулирующих в земной коре насыщенных газами растворов – способна снизить прочность разлома на целых пять порядков. Значит, вторжение флюидов может спровоцировать землетрясение почти неожиданно, отразившись в электропроводности или слабой сейсмичности. Неустойчивость создают и химическое разупрочнение пород, и фазовые переходы с потерей объема, а также чисто механические явления – растрескивание, смятие пород и т.д. Действуя вместе, все эти механизмы превращают литосферу в хаотическую нелинейную систему, а в такой системе, как известно, прошлое не определяет будущее. Отсюда трудность прогноза [11].

Поведение нелинейной системы можно предсказать ценой  ее сглаживания – с потерей деталей. И чем больше сглаживание, тем крупнее становятся пространственные и временные масштабы, в которых прогноз, не скажу – возможен, но, по крайней мере, не невозможен. Так что задача прогноза становится как последовательное сужение пространственно-временного объема, где следует ожидать сильного землетрясения. Поэтому, я думаю, нам нужно воспринимать прогноз землетрясений как некий процесс сглаживания неопределенности, а не как неожиданное объявление тревоги. Точные и малоточные прогнозы позволяют предотвращать большой ущерб за счет экономических мероприятий “ранней готовности” [11].

Что же необходимо для успешного предсказания землетрясений [11]?

Прежде всего, новая теория. Не имея ее, мы пытались давать прогнозы: краткосрочный и  сильных повторных толчков. И тут же остро почувствовали, что одной феноменологии недостаточно. А ведь прогноз сильных повторных толчков – это критическая задача, особенно если говорить не буквально об этих толчках, а вообще о землетрясениях неподалеку [11].

Член-корреспондент АН СССР В.Н.Страхов.

Что касается прогноза землетрясений, то его не следует  рассматривать как некий не разрешимый в будущем вопрос. Этому помогут  сейсмостатика, геология, тектоника, сейсморайонирование [11].

В нашей стране 20 институтов Академии наук занимаются проблемой прогноза, а вместе с другими министерствами и ведомствами число таких организаций составляет 50. Для сравнения скажу, что во всем мире этой проблемой занимаются тоже 50 институтов и университетов [11].

Если мы выделим  разумный масштаб времени для исследований такого направления, учтем прогресс, существующий сейчас в сейсмологии, и не будем вкладывать в термин “прогноз” административный смысл, мы сможем добиться успеха. Но при одном условии: нужна служба унифицированных наблюдений, оснащенная современной аппаратурой, и хорошая инспекция, и мощный алгоритм обработки [11]. 

Глава 8. Совещание “Оценка  проектов по прогнозу землетрясений”1996 года в Лондоне 

На совещании  “Оценка проектов по прогнозу землетрясений”, проводившемся в Лондоне 7-8 ноября 1996 года Королевским Астрономическим Обществом совместно с Объединенной Ассоциацией геофизики рассматривались принципиальные вопросы эффективности проектов прогнозирования в наиболее общей, в некоторой степени, философской постановке. На совещании господствовал глубокий пессимизм не только по поводу состояния проблемы на сегодня, но и относительно планов на обозримое будущее. По существу участники совещания вторили доводам J.B.Maceiwane и C.F/Richter, доказывавшим невозможность прогнозирования землетрясений. За истекшие 50 лет, по мнению участников конференции, этому, практически, нечего противопоставить [5].

Основные аргументы  совещания 1996 года сводились к следующему:

1.        Прогноз в настоящее время не возможен вследствие хаотической, в высшей степени не линейной природы процессов подготовки в очаге (I.G.Main).

2.        Земная кора находится в состоянии самоорганизованной критичности, не имеющей характерных размеров и, следовательно, надежные оценки места, времени и силы землетрясения не возможны. (S.Crampin).

3.        Казавшаяся очевидной парадигма, согласно которой сейсмическому событию, реализующему огромную энергию должны предшествовать идентифицируемые и наблюдаемые предвестники, оказалась неверна. Землетрясениям присуща непредсказуемость. (R.J.Geller).

4.        ЭМ предвестники регистрируются до расстояния в несколько сотен км. Возможны ли физические механизмы объяснения этих ЭМ эффектов? (Дискуссия).

5.        Даже наиболее оптимистические физические модели могут объяснить лишь 1% амплитуды регистрируемых электрических сигналов. (P.Bernard).

6.        Не существует физической основы прогноза индивидуального землетрясения. (I.G.Main).

7.        Лабораторное моделирование не решает проблемы из-за не соответствия шкалы времени, скоростей деформаций, окружающих условий. (дискуссия).