Методы изучения и прогноз землетрясений

Размещено на http://www.allbest.ru/

29

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Методы изучения и прогноз землетрясений

Введение

Землетрясения являются одним из наиболее страшных природных катастроф, они уносят десятки и сотни тысяч человеческих жизней и вызывают опустошительные разрушения на огромных пространствах. При сильных землетрясениях нарушается целостность грунта, разрушаются здания и сооружения, выводятся из строя коммунально-энергетические сети. Землетрясение, как правило, сопровождается множеством звуков различной интенсивности в зависимости от расстояния до источника его возникновения. Вблизи источника землетрясения слышны резкие звуки, на некотором удалении они напоминают раскаты грома или гул взрыва. В горах возможны обвалы и лавины. Если землетрясение происходит под водой, возникают огромные волны - цунами, вызывающие страшные разрушения на суше. Последствия сильных землетрясений в некоторой степени похожи на последствия ядерного взрыва. Ученые различных стран прилагают большие усилия в изучении природы землетрясений и их прогноза. К сожалению, предсказать место и время землетрясения, за исключением нескольких случаев, до сих пор еще не удается. Землетрясение - это сейсмические явления, возникающие в результате внезапных смещений и разрывов в земной коре или верхней части мантии, передающиеся на большие расстояния в виде резких колебаний, приводящих к разрушению зданий, сооружений, пожарам и человеческим жертвам. Причины землетрясений бывают разные: тектонические, вулканические, представляющие наибольшую опасность, а также обвальные, наведенные и др. Большинство землетрясений, как на суше, так и под дном океана относятся к группе тектонических.

В зависимости от силы подземных толчков могут разрушаться целые поселки и города. Вследствие коротких замыканий в электросетях возникают пожары. В результате выхода из строя коммунально-энергетических коммуникаций происходит затопление подвалов, убежищ, скопление газа при повреждении системы газовой сети, прекращение подачи электроэнергии и т. д. Массовые завалы, в том числе и путей сообщения, не позволяют широко использовать технические средства для ведения спасательных работ. Все это значительно затрудняет организацию и ликвидацию последствий землетрясения и оказания помощи пострадавшим. Вулканические землетрясения характерны для регионов расположения действующих или потухших вулканов и могут прогнозироваться с достаточной степенью вероятности, поэтому ущерб от них менее значителен или исключен вовсе, поскольку строительство на данных территориях учитывает возможность появления катастрофических ситуаций.

1.Землетрясение и их виды

Колебания Земли, вызванные внезапными изменениями в состоянии недр планеты. Эти колебания представляют собой упругие волны, распространяющиеся с высокой скоростью в толще горных пород. Наиболее сильные землетрясения иногда ощущаются на расстояниях более 1500 км от очага и могут быть зарегистрированы сейсмографами (специальными высокочувствительными приборами) даже в противоположном полушарии. Район, где зарождаются колебания, называется очагом землетрясения, а его проекция на поверхность Земли - эпицентром землетрясения. Очаги большей части землетрясений лежат в земной коре на глубинах не более 16 км, однако в некоторых районах глубины очагов достигают 700 км. Ежедневно происходят тысячи землетрясений, но лишь немногие из них ощущаются человеком.

Причины землетрясений. Хотя уже с давних времен ведутся многочисленные исследования, нельзя сказать, что причины возникновения землетрясений полностью изучены. По характеру процессов в их очагах выделяют несколько типов землетрясений, основными из которых являются тектонические, вулканические и техногенные. Тектонические землетрясения возникают вследствие внезапного снятия напряжения, например, при подвижках по разлому в земной коре (исследования последних лет показывают, что причиной глубоких землетрясений могут быть и фазовые переходы в мантии Земли, происходящие при определенных температурах и давлениях). Иногда глубинные разломы выходят на поверхность. Во время катастрофического землетрясения в Сан-Франциско 18 апреля 1906 общая протяженность поверхностных разрывов в зоне разлома Сан-Андреас составила более 430 км, максимальное горизонтальное смещение - 6 м. Максимальная зарегистрированная величина сейсмогенных смещений по разлому 15 м. Вулканические землетрясения происходят вследствие резких перемещений магматического расплава в недрах Земли или в результате возникновения разрывов под влиянием этих перемещений. Техногенные землетрясения могут быть вызваны подземными ядерными испытаниями, заполнением водохранилищ, добычей нефти и газа методом нагнетания жидкости в скважины, взрывными работами при добыче полезных ископаемых и пр. Менее сильные землетрясения происходят при обвале сводов пещер или горных выработок.

Сейсмические волны. Колебания, распространяющиеся из очага землетрясения, представляют собой упругие волны, характер и скорость распространения которых зависят от упругих свойств и плотности пород. К упругим свойствам относятся модуль объемной деформации, характеризующий сопротивление сжатию без изменения формы, и модуль сдвига, определяющий сопротивление усилиям сдвига. Скорость распространения упругих волн увеличивается прямо пропорционально квадратному корню значений параметров упругости и плотности среды.

Продольные и поперечные волны. На сейсмограммах эти волны появляются первыми. Раньше всего регистрируются продольные волны, при прохождении которых каждая частица среды подвергается сначала сжатию, а затем снова расширяется, испытывая при этом возвратно-поступательное движение в продольном направлении (т.е. в направлении распространения волны). Эти волны называются также Р-волнами, или первичными волнами. Их скорость зависит от модуля упругости и жесткости породы. Вблизи земной поверхности скорость Р-волн составляет 6 км/с, а на очень большой глубине - ок. 13 км/с. Следующими регистрируются поперечные сейсмические волны, называемые также S-волнами, или вторичными волнами. При их прохождении каждая частица породы колеблется перпендикулярно направлению распространения волны. Их скорость зависит от сопротивления породы сдвигу и составляет примерно 7/12 от скорости распространения Р-волн. Поверхностные волны распространяются вдоль земной поверхности или параллельно ей и не проникают глубже 80-160 км. В этой группе выделяются волны Рэлея и волны Лява. При прохождении волн Рэлея частицы породы описывают вертикальные эллипсы, лежащие в очаговой плоскости. В волнах Лява частицы породы колеблются перпендикулярно направлению распространения волн. Поверхностные волны часто обозначаются сокращенно как L-волны. Скорость их распространения составляет 3,2-4,4 км/с. При глубокофокусных землетрясениях поверхностные волны очень слабые. Амплитуда и период характеризуют колебательные движения сейсмических волн. Амплитудой называется величина, на которую изменяется положение частицы грунта при прохождении волны по сравнению с предшествовавшим состоянием покоя. Период колебаний - промежуток времени, за который совершается одно полное колебание частицы. Вблизи очага землетрясения наблюдаются колебания с различными периодами - от долей секунды до нескольких секунд. Однако на больших расстояниях от центра (сотни километров) короткопериодные колебания выражены слабее: для Р-волн характерны периоды от 1 до 10 с, а для S-волн - немного больше. Периоды поверхностных волн составляют от нескольких секунд до нескольких сотен секунд. Амплитуды колебаний могут быть значительными вблизи очага, однако на расстояниях 1500 км и более они очень малы - менее нескольких микрон для волн Р и S и менее 1 см - для поверхностных волн.

Отражение и преломление. Встречая на своем пути слои пород с отличающимися свойствами, сейсмические волны отражаются или преломляются подобно тому, как луч света отражается от зеркальной поверхности или преломляется, переходя из воздуха в воду. Любые изменения упругих характеристик или плотности материала на пути распространения сейсмических волн заставляют их преломляться, а при резких изменениях свойств среды часть энергии волн отражается.

Регистрация землетрясений. Прибор, записывающий сейсмические колебания, называется сейсмографом, а сама запись - сейсмограммой. Сейсмограф состоит из маятника, подвешенного внутри корпуса на пружине, и записывающего устройства. Одно из первых записывающих устройств представляло собой вращающийся барабан с бумажной лентой. При вращении барабан постепенно смещается в одну сторону, так что нулевая линия записи на бумаге имеет вид спирали. Каждую минуту на график наносятся вертикальные линии - отметки времени; для этого используются очень точные часы, которые периодически сверяют с эталоном точного времени. Для изучения близких землетрясений необходима точность маркировки - до секунды или меньше. Во многих сейсмографах для преобразования механического сигнала в электрический используются индукционные устройства, в которых при перемещении инертной массы маятника относительно корпуса изменяется величина магнитного потока, проходящего через витки индукционной катушки. Возникающий при этом слабый электрический ток приводит в действие гальванометр, соединенный с зеркальцем, которое отбрасывает луч света на светочувствительную бумагу записывающего устройства. В современных сейсмографах регистрация колебаний ведется в цифровом виде с использованием компьютеров. Магнитуда землетрясений обычно определяется по шкале, основанной на записях сейсмографов. Эта шкала известна под названием шкалы магнитуд, или шкалы Рихтера. Магнитуда землетрясения - безразмерная величина, пропорциональная логарифму отношения максимальных амплитуд определенного типа волн данного землетрясения и некоторого стандартного землетрясения.

Последствия землетрясений. Сильные землетрясения оставляют множество следов, особенно в районе эпицентра: наибольшее распространение имеют оползни и осыпи рыхлого грунта и трещины на земной поверхности. Характер таких нарушений в значительной степени определяется геологическим строением местности. В рыхлом и водонасыщенном грунте на крутых склонах часто происходят оползни и обвалы, а мощная толща водонасыщенного аллювия в долинах деформируется легче, чем твердые породы. На поверхности аллювия образуются просадочные котловины, заполняющиеся водой. И даже не очень сильные землетрясения получают отражение в рельефе местности. Смещения по разломам или возникновение поверхностных разрывов могут изменить плановое и высотное положение отдельных точек земной поверхности вдоль линии разлома, как это произошло во время землетрясения 1906 в Сан-Франциско. При землетрясении в октябре 1915 в долине Плезант в Неваде на разломе образовался уступ длиной 35 км и высотой до 4,5 м. При землетрясении в мае 1940 в долине Импириал в Калифорнии подвижки произошли на 55-километровом участке разлома, причем наблюдались горизонтальные смещения до 4,5 м. В результате Ассамского землетрясения (Индия) в июне 1897 в эпицентральной области высота местности изменилась не менее, чем на 3 м. Значительные поверхностные деформации прослеживаются не только вблизи разломов и приводят к изменению направления речного стока, подпруживанию или разрывам водотоков, нарушению режима источников воды, причем некоторые из них временно или навсегда перестают функционировать, но в то же время могут появиться новые. Колодцы и скважины заплывают грязью, а уровень воды в них ощутимо меняется. При сильных землетрясениях вода, жидкая грязь или песок могут фонтанами выбрасываться из грунта. При смещении по разломам происходят повреждения автомобильных и железных дорог, зданий, мостов и прочих инженерных сооружений. Однако качественно построенные здания редко разрушаются полностью. Обычно степень разрушений находится в прямой зависимости от типа сооружения и геологического строения местности. При землетрясениях умеренной силы могут происходить частичные повреждения зданий, а если они неудачно спроектированы или некачественно построены, то возможно и их полное разрушение. При очень сильных толчках могут обрушиться и сильно пострадать сооружения, построенные без учета сейсмической опасности. Обычно не обрушиваются одно- и двухэтажные постройки, если у них не очень тяжелые крыши. Однако бывает, что они смещаются с фундаментов и часто у них растрескивается и отваливается штукатурка. Дифференцированные движения могут приводить к тому, что мосты сдвигаются со своих опор, а инженерные коммуникации и водопроводные трубы разрываются. При интенсивных колебаниях уложенные в грунт трубы могут "складываться", всовываясь одна в другую, или выгибаться, выходя на поверхность, а железнодорожные рельсы деформироваться. В сейсмоопасных районах сооружения должны проектироваться и строиться с соблюдением строительных норм, принятых для данного района в соответствии с картой сейсмического районирования. В густонаселенных районах едва ли не больший ущерб, чем сами землетрясения, наносят пожары, возникающие в результате разрыва газопроводов и линий электропередач, опрокидывания печей, плит и разных нагревательных приборов. Борьба с пожарами затрудняется из-за того, что водопровод оказывается поврежденным, а улицы непроезжими вследствие образовавшихся завалов.

Сопутствующие явления. Иногда подземные толчки сопровождаются хорошо различимым низким гулом, когда частота сейсмических колебаний лежит в диапазоне, воспринимаемом человеческим ухом, иногда такие звуки слышатся и при отсутствии толчков. В некоторых районах они представляют собой довольно обычное явление, хотя ощутимые землетрясения происходят очень редко. Имеются также многочисленные сообщения о возникновении свечения во время сильных землетрясений. Общепринятого объяснения таких явлений пока нет. Цунами (большие волны на море) возникают при быстрых вертикальных деформациях морского дна во время подводных землетрясений. Цунами распространяются в океанах в пределах глубоководных зон океанов со скоростью 400-800 км/ч и могут вызвать разрушения на берегах, удаленных на тысячи километров от эпицентра. У близлежащих к эпицентру берегов эти волны иногда достигают в высоту 30 м. При многих сильных землетрясениях помимо основных толчков регистрируются форшоки (предшествующие землетрясения) и многочисленные афтершоки (землетрясения, следующие за основным толчком). Афтершоки обычно слабее, чем основной толчок, и могут повторяться в течение недель и даже лет, становясь все реже и реже. Географическое распространение землетрясений. Большинство землетрясений сосредоточено в двух протяженных, узких зонах. Одна из них обрамляет Тихий океан, а вторая тянется от Азорских о-вов на восток до Юго-Восточной Азии. Тихоокеанская сейсмическая зона проходит вдоль западного побережья Южной Америки. В Центральной Америке она разделяется на две ветви, одна из которых следует вдоль островной дуги Вест-Индии, а другая продолжается на север, расширяясь в пределах США, до западных хребтов Скалистых гор. Далее эта зона проходит через Алеутские о-ва до Камчатки и затем через Японские о-ва, Филиппины, Новую Гвинею и острова юго-западной части Тихого океана к Новой Зеландии и Антарктике. Вторая зона от Азорских о-вов простирается на восток через Альпы и Турцию. На юге Азии она расширяется, а затем сужается и меняет направление на меридиональное, следует через территорию Мьянмы, острова Суматра и Ява и соединяется с тихоокеанской зоной в районе Новой Гвинеи. Выделяется также зона меньшего размера в центральной части Атлантического океана, следующая вдоль Срединно-Атлантического хребта. Существует ряд районов, где землетрясения происходят довольно часто. К ним относятся Восточная Африка, Индийский океан и в Северной Америке долина р.Св. Лаврентия и северо-восток США. Иногда в районах, которые принято считать неактивными, происходят сильные землетрясения, как, например, в Чарлстоне (шт. Южная Каролина) в 1886. По сравнению с мелкофокусными глубокофокусные землетрясения имеют более ограниченное распространение. Они не были зарегистрированы в пределах Тихоокеанской зоны от южной Мексики до Алеутских о-вов, а в Средиземноморской зоне - к западу от Карпат. Глубокофокусные землетрясения характерны для западной окраины Тихого океана, Юго-Восточной Азии и западного побережья Южной Америки. Зона с глубокофокусными очагами обычно располагается вдоль зоны мелкофокусных землетрясений со стороны материка..

2. Прогноз землетрясений

О прогнозе землетрясений

Как показали исследования по сейсмическому районированию и прогнозу землетрясений, пространственно-временные и сейсмогеодинамические признаки подготовки крупных сейсмических событий следует рассматривать как систему, охватывающую разномасштабные иерархические уровни сейсмической активизации - глобальный, региональный, локальный и очаговый. Чем крупнее сейсмические очаги и, соответственно, чем выше магнитуда генерируемых ими землетрясений, тем крупнее и объемы геологической среды, ответственные за их подготовку. Поэтому при изучении очаговой сейсмичности, сейсмического режима, при оценке сейсмической опасности той или иной территории всегда необходимо исходить из соответствующих размеров конкретных и генетически взаимосвязанных сейсмогенерирующих геологических структур сейсмоактивных регионов. Для наиболее крупных сейсмических очагов протяженность таких геоструктур может достигать нескольких тысяч, а ширина - нескольких сот километров. В любом случае, размер (диаметр) исследуемой территории, в пределах которой может быть расположен очаг землетрясения конкретной магнитуды, должен превышать, как минимум, в четыре раза размеры такого очага.

Во временном отношении развитие сейсмических и сейсмогеодинамических процессов также исследуется как в долговременном, так и в краткосрочном плане: чем выше магнитуда изучаемых землетрясений, тем больший промежуток времени следует рассматривать.

По аналогии с метеорологией и в зависимости от пространственно-временных масштабов обычно рассматриваются "сейсмический климат", свойственный тому или иному региону в целом, и "сейсмическая погода", заметно изменяющаяся за определенные промежутки времени (см. рис.). (Имеется и другое сходство сейсмологии со смежными областями знаний в науках о Земле. Так, метеорология имеет дело с перемещением воздушных потоков, океанология -водных масс, а сейсмология - с движением литосферных плит и деформированием твердых оболочек планеты.)

Картирование сейсмического климата имитирует сейсмическое районирование, предсказывающее места и максимальную силу возможных в их пределах землетрясений. Поскольку в этом случае оценка сейсмической опасности основывается не на прогнозе каждого отдельного сейсмического события, а на сейсмическом эффекте, создаваемом их совокупностью, знание времени возникновения таких событий как бы и не требуется. Однако вероятностный подход, на основе которого составлены новые карты общего сейсмического районирования территории Северной Евразии- ОСР-97, так или иначе, предполагает наличие фактора времени в виде вероятности проявления тех или иных сейсмических событий в течение заданных временных интервалов.

Прогноз сейсмической погоды, наряду с предсказанием места, магнитуды и силы конкретного землетрясения, включает в себя и прогноз времени. Обычно рассматривают три типа (категории) прогноза:

- долгосрочный прогноз, когда землетрясение ожидается на достаточно большой площади, а время его ожидания растянуто на годы и десятилетия;

- среднесрочный прогноз, когда землетрясение ожидается на относительно небольшой площади, а время ожидания измеряется месяцами и несколькими годами;

- краткосрочный прогноз, когда момент возникновения землетрясения должен предсказываться с точностью до нескольких суток и даже часов.

Как видно, эти интервалы времени, будучи представленными в логарифмическом масштабе, примерно равны друг другу (ось абсцисс на рис.). В аналогичной степенной, и более того, во фрактальной взаимосвязи, находятся и величины землетрясений (магнитуда, размер очага и др.), и размеры областей, "ответственных" за их подготовку.

Очевидно, что успешное решение проблемы сейсмического прогноза, в ее широком понимании, самым непосредственным образом связано не только с научными и практическими достижениями в каждой из названных категорий прогноза, но и с комплексированием всех этих исследований. Соответствующей должна быть и этапность прогностических наблюдений - от сейсмического районирования к идентификации потенциальных очагов землетрясений, а затем к долгосрочному прогнозу и к поиску их предвестников.

Такие последовательные исследования в свое время предпринимал автор в Центральной Азии при мониторинге процесса подготовки Газлийских землетрясений 1976 г. на Туранской плите, а также при выявлении потенциальных очагов и долгосрочном прогнозе крупного сейсмического события на территории Тянь-Шаня, где впоследствии произошло Сусамырское землетрясение 1992 г.

В этой связи изучался также сейсмический режим в разных областях Центральной Азии, ответственных за подготовку уже произошедших крупных землетрясений, таких как Каратагское 1907 г., Чаткальское 1946 г., Хаитское 1949 г. и Маркансуйское 1974 г., соизмеримых по магнитуде с Газлийским и Сусамырским землетрясениями.

Изучение современной геодинамики и особенностей сейсмического режима, как в регионе, так и в самих сейсмических очагах, вносит существенный вклад в развитие представлений о сейсмогенезе, в совершенствование сейсмогеодинамических моделей и методов прогнозирования землетрясений. Выявленные закономерности в динамике земной коры и в проявлении сейсмичности позволили осуществить долгосрочный прогноз крупнейших за последнюю четверть века Газлийских землетрясений на территории Центральной Азии.

Как показывают исследования, упорядоченный характер развития сейсмических процессов, проявляющийся в группировании землетрясений во времени и в синусоидальной форме функциональных кривых, описывающих последовательности сейсмических событий, свидетельствует о существовании сверхдлиннопериодных деформационных волн, охватывающих целые регионы.

О предвестниках землетрясений

Поскольку автор в своё время (1966-1977 гг.) был увлечен разработкой методов краткосрочного прогноза землетрясений и наибольшее предпочтение среди разного рода предвестников (мнимых и реальных) отдавал информативной роли подземной воды и газов, здесь проиллюстрирована лишь эта сторона сложнейшей и пока нерешенной проблемы.

Вода широко распространена на Земле. В литосфере ее содержится почти столько же, сколько и в гидросфере. Область распространения воды в земной коре простирается до глубины 20-30 км и более. Этот же интервал глубин характеризуется максимальным числом землетрясений.

Значительное количество воды находится в связанном состоянии и входит в состав минералов и горных пород. Другая часть, наряду с газами, заполняет поры и трещины пород и минералов. Поэтому необходимо рассматривать подземную воду и газы как составную часть среды, в которой развиваются сейсмические процессы.

Вся вода Земли, глубинного и поверхностного происхождения, постоянно взаимодействует между собой, а также с атмосферой и литосферой. Движения и деформации земной коры и всей литосферы определенным образом влияют на изменения нормального режима подземных вод (уровень, температуру, химический состав, условия питания и др.), поставляя информацию о глубинных тектонических процессах. С другой стороны, сама вода может содействовать возникновению землетрясений (так называемая индуцированная сейсмичность).

Изменение режима подземных вод в связи с землетрясениями было замечено давно. В нашей стране первые количественные такие, гидросейсмические, исследования были проведены в 1901-1902 гг. на Кавказе Ф. Мольденгауэром, который систематически наблюдая за термоминеральным источником в Боржоми, установил зависимость между нарушениями регулярной периодичности источника и местными сейсмическими явлениями.

Исследования природы Ташкентского землетрясения 1966 г. (М=5.3) позволили нам возродить в отечественной сейсмологии методы сейсмогидродинамики (Уломов, Мавашев, 1967; Уломов, 1974).

Связь деформирования земной коры в период, предшествующий этому землетрясению, была выявлена в результате анализа содержания инертного газа радона в термоминеральной воде Ташкентского артезианского бассейна (см. рис.).

В результате обследования эпицентральной области Сарыкамышского землетрясения 1970 г. (М=7.0) автором была обнаружена связь между изменениями температуры (рис. 9b) и напора термальной воды (рис. 9c), изливавшейся из скважины вблизи эпицентральной области этого землетрясения, произошедшего на побережье озера Иссык-Куль, в Киргизии (Уломов, 1971). Обе аномалии возникли, примерно, за два месяца до этого землетрясения.

Графики на этом рисунке иллюстрируют связь сейсмогеодинамических и гидрогеодинамических процессов на локальном (очаговом) уровне:

a. - изменения концентрации радона в термоминеральной воде Ташкентского артезианского бассейна в скважинах над очагом Ташкентского землетрясения 1966 г., точки - моменты замеров содержания радона, I - IV - стадии деформирования очаговой области землетрясения (Уломов, Мавашев, 1967), вертикальные отрезки - моменты возникновения главного землетрясения и его афтершоков;

b и c - изменение температуры (b) и напора термальной воды (c), изливавшейся из скважины вблизи очаговой области Сарыкамышского землетрясения 1970 г. (вертикальные стрелки) в Киргизии, на побережье озера Иссык-Куль (Уломов, 1971).

Известно, что роль воды существенна и в формировании самих очагов землетрясений. Так, повышение порового давления в породах районов современной тектонической активности заметно ослабляет прочность пород, приводит к развитию микро- и макротрещин, а в конечном итоге - к сейсмическим подвижкам по разломам. К подобным проявлениям сейсмичности относятся, прежде всего, техногенные землетрясения, возникновение которых обусловлено деятельностью человека. Можно привести целый ряд примеров повышения сейсмической активности участков земной коры и возникновения сильных землетрясений в связи с созданием крупных искусственных водоемов и с закачкой химических растворов в глубокие скважины и т.п. Толща воды создает не только дополнительную нагрузку, деформирующую земную кору, но и существенно повышает давление жидкости в зоне дробления пород местных тектонических разломов, смачивая их.

После Ташкентского землетрясения 1966 г. исследования режима подземных вод приобрели большое значение во всем мире в связи с разработкой методов предсказания землетрясений. Системы "скважина - водоносный горизонт" явились информативным индикатором роста упругих напряжений и деформаций в области очагов готовящихся землетрясений. Первый Международный симпозиум по поискам предвестников землетрясений был проведен в Ташкенте в 1974 году. Он был организован Институтом сейсмологии АН Узбекистана и привлек внимание большого числа ученых из многих стран мира (см. раздел "Фотоальбом", 1966-1975 гг.),

3.Методы прогноза землетрясения

Виды прогноза

Различают долгосрочный, среднесрочный и краткосрочный прогнозы.

Наименее дискуссионным, пожалуй, является долгосрочный прогноз, плавно смыкающийся с задачами районирования [5]. Этот прогноз основывается на наблюдениях за изменением режима землетрясений, т.е. за появлением зон сейсмического застоя, за изменениями напряженного состояния вещества литосферы, изменением ее сейсмической прозрачности, наблюдении за тем, как отдельные небольшие блоки в своем поведении постепенно отказываются от самостоятельности и объединяются в процессе подготовки одного большого удара. Наблюдения над этими процессами могут дать сведения о подготовке землетрясения за срок от нескольких месяцев до нескольких лет [3].

Среднесрочный прогноз, дающий возможность получить предупреждение о сейсмическом событии за недели-месяцы обладает практической конкретностью. Этот прогностический уровень предполагает сценарий развития процесса разрушения по данным текущих наблюдений за геофизическими полями, за изменениями наклонов земной поверхности, режимные наблюдения над дебитом и химическим составом водных источников и глубоких водяных, нефтяных и газовых скважин. Используются формализированные критерии оценки статистической значимости каждого из предвестников и их комплекса. На основе установленных главным образом эмперических связей между параметрами предвестников и землетрясениями находится оценка места и магнитуды ожидаемого землетрясения [3,5].

Успехи по исследованиям среднесрочных предвестников скромны. Также как и в долгосрочном прогнозе специалисты вправе гордится конкретными результатами, но это исключение в общем потоке событий.

Краткосрочный прогноз - прогноз с заблаговременностью в несколько часов или дней. Здесь сохраняют силу почти все методы, описанные выше, но особое внимание уделяют активизации процесса изменения напряженно-деформированного состояния [3,5].

К надежности краткосрочного прогноза ввиду его большого социального значения должны предъявляться самые строгие требования. Особенно высока ответственность ученых и должностных лиц при объявлении “сейсмической тревоги”. Чтобы было понятно, насколько не проста здесь ситуация, напомним о знаменитом прогнозе китайских сейсмологов. В 1975 году они неоднократно объявляли тревогу в районе относительно небольшого города Хайчена, даже проводили эвакуацию населения. Несколько тревог оказались ложными, но в условиях аграрного района это не приводило к значительным экономическим потерям. Зато одна из эвакуаций была проведена за 2 часа до 9-бального землетрясения и позволила сохранить тысячи жизней. Однако уже в следующем году, обнаружив предвестники надвигающегося землетрясения, ученыу не решились объявить тревогу в г. Таншане6 с населением 1.3 млн. человек и развитой горнодобывающей промышленностью. Последовавшее землетрясение привело к гибели сотен тысяч людей [9].

4. Предвестники землетрясений

5. Миграция предвестников землетрясений

Значительную сложность при определении места очага будущего землетрясения по наблюдениям за предвестниками представляет собой большой ареал распространения последних: расстояния, на которых наблюдаются предвестники, в десятки раз превышают размеры разрыва в очаге. При этом краткосрочные предвестники наблюдаются на больших расстояниях, чем долгосрочные, что подтверждает более слабую их связь с очагом (рис. 1) [9].

6. Теория дилатансии

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.

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] .

Заключение

землетрясение дилатансия бедствие

Оптимизм 60-70-х годов относительно возможности прогноза землетрясений сменился в 90-х годах глубоким пессимизмом. Распределение предвестников мозаично. Связь с землетрясением какого-либо геофизического параметра до сих пор не установлена и применение математических способов едва ли уменьшит эту неопределенность. Проблема прогноза не вышла за рамки научного поиска, остаются нерешенными все основные ее составляющие. Применение алгоритма КН, разработанного около 20 лет назад для среднесрочного прогноза, привело, вместо ожидавшегося предсказания 80% сильных землетрясений, к ошибкам типа “ложная тревога” - 30%, “пропуск цели” - 32%. Академик В.И. Кейлис-Борок, отмечая, что разрушительное Рачинское землетрясение 1991 года спрогнозировать не удалось, но повторный сильный толчок был предсказан, пишет: “Наш прогноз подтвердился. Но у меня лично от этого ощущение - это в основном беспомощность… Точность не велика, методика пока чисто эмпирическая…” [4]. Тяжелая ошибка (в 3 балла) “пропуска цели” на карте ОСР-78 - разрушительное Спитакское землетрясение 1988 года [10]. В США с 1977 года не было предсказано ни одно землетрясение [12]. “Согласно новой модели, землетрясение случайны”, резюмируют исследователи сейсмичности Калифорнии. Ныне в США отказались от проведения масштабных прогностических работ [2]. В Японии за 30 лет ни одного случая прогнозирования не было. Совещание по прогнозу землетрясений в Лондоне в 1996 году констатировало их непредсказуемость за истекшие 50 лет, весьма пессимистично оценило перспективы на будущее [5].

Таким образом, при всем обилии проведенным и проанализированных наблюдений, место, время и магнитуда будущих разрушительных землетрясений даже в хорошо изученных регионах по-прежнему оказывается неожиданным. Тем не менее, необходимо собирать все новые, дополнительные данные, но какие? Комплекс возможных параметров в том или ином многопризнаковом факторе можно варьировать и расширять беспредельно, однако рамки реальных возможностей всегда заставляет как-то его ограничивать. Перспективен ли вообще такой путь?

А пока нет ответа на этот и многие другие вопросы, у человечества есть только один способ обезопасить себя - развивать и совершенствовать сейсмостойкое строительство на территориях, которые подвержены влиянию сильных землетрясений.

Размещено на Allbest.ru