Напряжения предскажут землетрясение

Землетрясения и извержения вулканов – грозные стихийные бедствия, от которых не застрахован, строго говоря, ни один регион Земли и от которых нет спасения обычному человеку. Поэтому предотвращение разрушительных последствий землетрясений – «святой грааль» сейсмологов – является конечной целью любых наблюдений и вообще работ в этой области.

Однако до настоящего времени ученым не удавалось добиться больших успехов. Китайские сейсмологи, например, не смогли предсказать разрушительного землетрясения, унесшего десятки тысяч жизней в провинции Сычуань в мае 2008 года, хотя в этом регионе постоянно велись наблюдения и любая сейсмическая активность регистрировалась.

Ключ к разгадке – оценка напряжений в сейсмически активной области – не был найден, так как этот параметр не поддается экспериментальному измерению. Однако группе французских и русских сейсмологов удалось разработать методику оценки напряжений. Они обнаружили связь между напряжениями и числом афтершоков – более слабых землетрясений, которые следуют за основным.

А число афтершоков, в свою очередь, вполне поддается экспериментальной оценке.

Результаты этого исследования публикует Nature.

Один из авторов публикации – Петр Шебалин, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Международного института теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН (МИТП РАН) – рассказал о своей работе корреспонденту «Газеты.Ru».

– Расскажите об истории вашего исследования.
– Наша группа занимается исследованиями афтершоковых серий от землетрясений в некоторых пространственных областях. Еще с начала XX века хорошо известно, что землетрясение, как правило, сопровождается повторными толчками или афтершоками (это англоязычный термин, но сейчас он вполне устоялся и в русскоязычной научной литературе). Во времени число афтершоков убывает по степенному закону (то есть обратно пропорционально времени, прошедшему с момента толчка). Этот закон получил свое название в честь японского ученого Омори, который в конце XIX века наблюдал афтершоки от сильного землетрясения в центральной Японии.

Другой японский сейсмолог, Утсу, в 60-е годы XX века модифицировал этот закон. Он учел тот факт, что степенное поведение числа афтершоков наступает не сразу после землетрясения, а с некоторой задержкой. Около 5 лет назад вышла серия публикаций в международных журналах, в которых утверждалось, что эта задержка во времени не имеет физической природы и объективных причин, а является артефактом – следствием технических проблем в регистрации толчков.

Отмечу, что в статьях напрямую не говорилось о том, что на самом деле задержки начала степенного поведения числа афтершоков нет, но мнение в сейсмологическом научном сообществе тем не менее сформировалось именно такое. Большинство ученых считало ее артефактом.

Причина, в общем, понятна: после сильного землетрясения на записях (сейсмограммах) колебания, вызванные самим толчком, повторяются еще несколько минут, а порой, при очень сильных землетрясениях, – до нескольких часов. Поэтому на фоне остаточных колебаний в самом начале информация об афтершоках теряется, и каталог событий является неполным сразу после сильного землетрясения. Вот так начиналась эта работа.

– Что было сделано вами?
– Мы с соавторами уже давно исследовали афтершоковые серии и занимались моделированием возникновения повторных толчков. Мы пришли к выводу, что задержка начала степенного спадания существует объективно и имеет ясный физический смысл. Она связана с неоднородностью напряжений, возникающих в очаге основного толчка. Чем шире эти неоднородности, чем большего напряжения достигают отдельные участки очаговой области первого толчка, тем быстрее начинается степенное спадание афтершоков.

Обнаружив это на моделях, мы начали искать подтверждение этой гипотезы в наблюдениях, на примерах уже свершившихся землетрясений. По результатам этих исследований уже опубликован ряд работ, но они пока не были, возможно, достаточно убедительными, так как измерения находились на грани допустимой точности, а число подтверждающих примеров было невелико.

А вот в этой публикации нам, наконец, удалось найти убедительное доказательство этой гипотезы.

Мы рассмотрели время задержки степенного спадания афтершоков как функцию некоторого параметра типа механизма очага. Механизмы очага землетрясения делятся на несколько типов. Первый тип – это нормальные, или сбросы, они происходят в условиях разряжения относительно небольших напряжений. Второй тип – это взбросы, они происходят при разряжении сжатий, очень больших напряжений. Третий тип – это сдвиги, они характеризуются промежуточными значениями напряжения.

В этой статье нам удалось показать значимую корреляцию времени задержки степенного спадания и типа механизма очага. Задержка невелика (несколько минут) для взбросов, она в несколько раз выше для нормальных механизмов и имеет промежуточные значения для сдвигов. Тем самым мы смогли убедительно показать, что параметр задержки связан с напряжениями. Первоначально этот результат был получен на основе сейсмологических данных из Калифорнии. Но рецензенты нашей публикации порекомендовали использовать и данные японских сейсмологов для дополнительного подтверждения предположения. Причина в том, что публикации о нулевой «истинной» задержке начала степенного спадания афтершоков основаны как раз на японских данных.

Мы обработали новый массив информации, и по Японии нам тоже удалось получить качественно такой же результат. Сделать это, однако, было сложнее, чем в случае Калифорнии, потому что напряжения в более сейсмически активной Японии выше – соответственно время задержки ниже, поэтому его труднее выявить.

Это дает и дополнительное подтверждение нашей гипотезе.

Мы применили ряд приемов очистки данных, чтобы результаты были убедительными. В частности мы брали в расчет только сильные афтершоки после сравнительно слабых толчков, чтобы избежать использования неполных данных по афтершокам, что неминуемо после сильных землетрясений.

– Каково практическое применение результатов вашей работы?
– Применение довольно очевидное. Если использовать эту идею, то на различных участках земной коры можно оценить время задержки начала степенного спадания (если, конечно, происходит землетрясение). Время – вполне объективно определяемый параметр, чего не скажешь о напряжении, его сейчас не удается измерить напрямую, нет таких приборов и методов. А наш подход связывает напряжение со временем задержки, поэтому может позволить оценить напряжения.

Напряжение является фундаментальным параметром сейсмически активной области. Высокие напряжения являются причиной возникновения землетрясений. Поэтому оценка напряжений – важный аспект улучшения оценок сейсмической опасности, сейсмического риска. Использование нашей методики возможно и для прогноза землетрясений. Кстати, нашей группой уже разработан прогнозный алгоритм, целью которого является определение наиболее вероятных мест возникновения землетрясений средней силы в масштабе времени около года. С июля этого года этот алгоритм проходит независимое тестирование в Калифорнии, в Международной лаборатории по изучению возможности предсказания землетрясений (Collaboratory for the Study of Earthquake Predictability). Этот коллектив обобщает данные о землетрясениях, наблюдаемых в Калифорнии, Италии, Японии, в регионе северо-западного и юго-западного Тихого океана и Новой Зеландии с целью разработки механизма предсказания землетрясений.

Я думаю, что эта методика могла бы быть использована и в других областях. В частности, напрашивается применение для выявления наиболее опасных мест возникновения горных ударов в шахтах. Можно было бы подумать и о выявлении дефектов в различных конструкциях.