ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ В.И.Уткин Институт геофизики УрО РАН Екатеринбург Светлой памяти Сергея Васильевича Гольдина Посвящается
Широкий спектр геофизических предвестников, а так же спутниковые технологии дистанционного зондирования не позволяют сегодня решить задачу прогноза землетрясений. Основная проблема состоит в том, что в различных сейсмоактивных регионах предвестники работают различно. Это обычно связывают как со сложностью организации очага землетрясения, так и условий его зарождения и развития. На основе этого заключения делается вывод, что прогноз землетрясений, как и прогноз погоды, по своей природе имеет вероятностный характер. Однако следует признать, что сегодня не решена главная проблема - физика землетрясения, что не позволяет однозначно определить время, координаты и энергию сейсмического события. Главные вопросы физики землетрясения: 1. Условия накопления значительной упругой энергии трещиновато- пористой средой, каковой являются горные породы 2. Какова природа форшоковых и афтершоковых явлений, поскольку они не приводят к разрушению сейсмгенерирующего массива 3. Что может служить триггирующим воздействием, вызывающим как одиночные события, так и серию событий? ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ
Решение проблемы прогноза тектонического события отложена на неопределенное время. В рядах специалистов наблюдается некоторая растерянность. Физика Земли 12, Декабрь 2007, С О. Д. Зотов О. Д. Зотов ЭФФЕКТ ВЫХОДНЫХ ДНЕЙ В СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ Геофиз. обсерватория Борок ИФЗ РАН, пос. Борок Ярославской обл Сделана попытка обнаружить так называемый эффект выходных дней в вариациях сейсмической активности, предположительно связанный с человеческой деятельностью. Путем статистического анализа мирового каталога землетрясений показано, что такой эффект, вероятно, существует. Предположительно эффект связан с семидневным циклом индустриальной активности. Физика Земли 12, Декабрь 2007, С САМОПОДОБНАЯ СЕЙСМОГЕНЕРИРУЮЩАЯ СТРУКТУРА (ССС) ЗЕМНОЙ КОРЫ: ОБЗОР ПРОБЛЕМЫ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И. Р. Стаховский Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Приведен обзор исследований структурной организации сейсмогенерирующей среды, показывающий, что вследствие процесса самоорганизации земная кора в сейсмоактивных регионах обладает фрактальной структурой. Как обобщение рассмотренных работ предложена новая математическая модель самоподобной сейсмогенерирующей структуры земной коры (модель ССС), основанная на идее согласования скейлингов трех мультифрактальных полей земной коры – разломного, сейсмического и сейсмоэнергетического. И. Р. Стаховский Вернемся к исходным материалам и посмотрим на землетрясения с другой стороны, физической, а не статистической.
Многолетние сейсмологические наблюдения позволили составить карты сейсмической опасности практически по всем сейсмоактивным регионам планеты. Сейсмические пояса планеты протянулись более чем на км. ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ Принципиальный вопрос – есть ли что-либо общее в физике этих тектонических событий?
Движение континентальных плит (материков) – естественное состояние планеты и прекратится только с уменьшением энергии, подпитывающей это движение. Соответственно – движение литосферных плит происходит в масштабе геологического времени и можно утверждать, во-первых, что в ближайшие лет никаких новейших аномальных сейсмоактивных регионов, вероятнее всего, не будет наблюдаться; во-вторых, должны наблюдаться некоторые общие закономерности подготовки землетрясений. ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ И.В. Ананьин : Землетрясения в нашей жизни бывают только там, где они бывают
ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ
Взброс Сдвиг Сброс Взброс Однако…Построенные модели не отвечают на главные вопросы физики землетрясений ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ Все многообразие наблюдаемых ситуаций возможно представить в виде всего трех моделей
1. Существующая модель сжатия-разрушения (образование и развитие трещин) не позволяет накопить с последующей отдачей значительного количества упругой энергии. Нерешенные вопросы физики землетрясений: 1.Как накопить энергию, обеспечивающую мощный выход упругой энергии при землетрясении? 2. Как объяснить явления «форшоков» и «афтершоков»? 3.Где источники триггирования землетрясений? Противоречия сегодняшней физики землетрясений 2. Понятие о форшоках и афтершоках, как начале и окончании процессов разрушения массива, как предвестников и последствий землетрясения не выдерживает критики, поскольку разрушения массива при этих явления практически не возникает. Решение этих вопросов возможно, если принять гипотезу накопления упругой энергии за счет деформации изгиба массива, как это ни странно. ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ Е.А. Рагожин : За 40 лет изучения разрывов и сдвигов верхней части земной коры при землетрясениях я убедился, что они происходят всегда по палеодислокациям.
Пусть надвигающаяся плита тормозится за счет, предположим, трения. Надвиг-взброс Разуплотнение Растяжение Сжатие Нейтральная зона Тянь-Шань ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ
Растяжение Сжатие Разуплотнение Зоны субдукции (Курилы, Камчатка, Чили и т.п.) Разуплотнение ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ
МОДЕЛЬ УПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ТЕКТОНИЧЕСКОГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ Сжатие Растяжение Зоны разломов: Сан-Андреас, Северо-Анатолийский и т.п. Скольжение с трением
СБРОС Сжатие Растяжение ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ
ВЫВОДЫ Во всех случаях подготовки тектонического землетрясения происходят следующие процессы: Накопление упругой энергии за счет возникновения деформации изгиба Всегда наблюдаются зоны разуплотнения, растяжения и сжатия Выделение указанных зон оптимально на основе следующих геофизических методик: Зоны разуплотнения фиксируются по замедлению скорости сейсмических волн удаленных землетрясений Зоны сжатия и разряжения выделяются по вариациям концентрации почвенных газов, предпочтительно радона. Перед размещением измерительных установок необходимо построение геодинамических моделей, учитывающих возможные движения блоков земной коры в соответствии с известными направлениями движений литосферных плит. ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ
Проблема форшоков и афтершоков тесно связано с особенностями движения блоков, с особенностями процессов межблочного трения Главной особенностью процесса трения деформирующейся среды является неустойчивость процесса трения, что приводит к неравномерности движения массива (Ch.I.Scholz, 2002), при этом последовательно возникают деформации изгиба и дальнейшее продвижение блока в массиве Форшоковые и афтершоковые явления – это прерывистое движение массива, связанное с разрядкой небольщих упругих напряжений массива Согласно теории неустойчивого трения возможны три процесса: 1.Плавное скольжение по поверхности трения (SLIP – процесс) 2.Прерывистое скольжение, порождающее форшоковые и афтершоковые явления 3.Отсутствие скольжения, накопление упругой энергии с последующей разрядкой в виде сейсмического события ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ
- Накопление упругой энергии за счет возникновения деформации изгиба -Возникновение зон разуплотнения, растяжения и сжатия Эти процессы вызывают возникновение акустических волн, электромагнитного излучения и акустической эмиссии, что явилось основой для появления новых, современных методов прогноза землетрясений, основанных на получении данных с помощью космических аппаратов. Новые данные по прогнозу с помощью космических аппаратов привели к двум взаимоисключающим гипотезам предвестников землетрясений за счет взаимовлияния литосферы и ионосферы. 1.Космофизические факторы являются главными факторами, действующими на процесс подготовки тектонического землетрясения, на процесс накопления упругой энергии, которая при разрядке приводит к землетрясению. 2.Акустические волны, излучаемые ансамблем растущих трещин, приводят к генерации токов, которые возмущают геомагнитное поле Земли, вызывают аномальные эффекты в ионосфере и радиационных поясах ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ В активизированных участках сейсмогенных зон Земли, к которым относят границы литосферных плит и блоков, тектонические разломы, морфоструктурные узлы, такие инициирующие воздействия проявляются на 14-е или (и) 22-е сутки с момента геоэффективной вспышки на Солнце. Иными словами: землетрясения рождаются на Солнце. Л.Н.Дода (Новости космонавтики, 2002, 2)
. Однако рассмотренное описание предвестников не соответствует фактическим данным по следующим причинам. 3. Подготовка подводных землетрясений (например, Суматринское, когда эпицентр находится на глубине 4000 метров) в принципе не может отразится в электромагнитном поле в связи с мощным проводящим экраном соленой морской воды. Глубина 4000 м Размер плиты центральной части 100х180 км мм/год 1.Все процессы в литосфере происходят исключительно медленно, накопление упругой энергии в масштабах джоулей не может произойти за часов – типичное время космического предвестника. 2. При подготовке землетрясения не возникает крупных разрывов и трещин, а происходит перестройка трещиновато-пористой среды в масштабах отдельных блоков или системы блоков, что не может привести к генерации мощных импульсов электромагнитного или акустического излучения. ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ
Известно, что возникающие после магнитных бурь крупные ионосферные возмущения («ионосферные облака»), при перемещении на большие расстояния сопровождаются в сейсмогенных областях тектоническими землетрясениями (Калинин, 2002). Где же истина? Как выделить детерминированный процесс из этого хаоса? А.Д.Сытинский : «… через 2-3 дня после усиления солнечной активности, особенно при прохождении Земли через границу секторного магнитного поля, на Земле происходят крупномасштабные ионосферные возмущения, приводящие к изменению барических полей атмосферы, что может привести к изменению скорости вращения Земли, и, соответственно, инициализации землетрясений..» На основе выявленной закономерности был разработан сейсмо-синоптический метод прогнозирования сильных тектонических землетрясений (А.Д.Сытинчкий. В.Н.Боков) ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ
Проведенный анализ показывает, что солнечно – атмосферно – литосферные связи значительно сложнее, чем это кажется на первый взгляд. Работают две мощные энергетические машины : 1.Движение литосферных плит, которое создает необходимые условия для накопления упругой энергии в системе блоков из трещиновато- пористой среды. 2.Энергия солнечных вспышек, которая через возмущение ионосферы передается в барические возмущения атмосферы. При условии подготовки литосферы (накоплению в блоках значительной энергии) барические фронты инициируют разрядку накопленных напряжений. Главным условием «триггирования» землетрясения следует считать бОльшую скорость барических изменений, чем скорость распространения приливной волны, что практически всегда выполняется ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ
Модель солнечно-литосферных связей при подготовке и инициировании землетрясения возможно представить в следующем виде. а) за счет трения движение блока «заторможено» б) за счет движения плиты накапливаются деформации изгиба, появляются зон сжатия и разряжения. Вспышка на Солнце. Энергия вспышки по цепи ионосфера- атмосфера создает барические неоднородности. в) Состояние литосферной системы блоков критическое по напряженному состоянию Изменчивость атмо- сферной циркуля- ции вызывает дополнительную деформацию блочной структуры г) Землетрясение как разрядка накопленных упругих напряжений д) возвращение системы блоков в новое устойчивое состояние ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ
Некоторые существенные выводы. 1. Между космофизическими явлениями и процессами, протекающими в литосфере и мантии, должна существовать слабая связь, влияющую на скорость прохождения этих процессов. 2. Энергия землетрясений определяется внутриземными процессами : подготовка к нему, накопление упругой энергии, возникновение в земной коре высоких механических напряжений. Все это определяется силами внутри Земли. 3. Роль малого толчка, который выводит подготовленную к землетрясению структуру из состояния неустойчивого равновесия выполняют атмосферные явления жестко связанные с процессами в ионосфере. В свою очередь все явления ионосферно-атмосферных передач энергии определяются процессами, происходящими на Солнце и межпланетном пространстве. 4. Ионосферно-атмосферные циркуляции могут и не инициировать землетрясения, если блочная структура не подготовлена, не находится в неустойчивом состоянии, и, соответственно, наоборот – землетрясение может произойти и без инициации внешним воздействием. Поэтому прогноз землетрясений должен быть всегда на основе комплексных исследований. ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ
Приведенный обзор показывает: 1.Независимо от геодинамической обстановки (взброс, сброс, скольжение) и движения литосферной плиты, всегда существуют условия образования изгибовой деформации массива, которая является основным условием накопления упругой энергии в массиве без его разрушения. 2.Явление неустойчивого трения является основным при движении трещиновато-пористых сред и возможно три варианта поведения массива: плавное скольжение (slip), прерывистое движение, порождающее форшоки и афтершоки, остановку с накоплением упругой энергией и последующим сейсмическим событием. 3.Роль малого толчка, который выводит подготовленную к землетрясению структуру из состояния неустойчивого равновесия могут выполнять атмосферные явления жестко связанные с процессами в ионосфере, определяемые процессами, происходящими на Солнце и межпланетном пространстве. 4.Разработка систем прогноза тектонического землетрясения требует тщательного изучения геологической обстановки региона, построения геодинамической модели с целью определения оптимального расположения регистрирующей аппаратуры. ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ Землетрясения зарождаются на Земле, но повивальной бабкой многих землетрясений может служит Солнце
ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ – ПРОБЛЕМЫ и РЕШЕНИЯ