Ликбез по землетрясениям. Часть 3. Предвестники землетрясений

Землетрясения предваряются весьма широким спектром аномальных природных явлений, мониторинг (постоянное наблюдение) которых современная наука пытается использовать для краткосрочного временного прогноза.

Начало статьи «Ликбез по землетрясениям» читайте в «Часть 1. Примеры, термины и понятия» и «Часть 2. Природа землетрясений».

Первая научная программа по прогнозу землетрясений была разработана классиком сейсмологии русским ученым Б.Б.Голицыным в 1911 г. В СССР систематические работы по поискам предвестников землетрясений были поставлены после катастрофического Ашхабадского землетрясения 1948 г. С этой целью в Гармском районе Таджикистана был основан геофизический полигон, на котором и была сделана основная серия открытий и находок в этой области. После Ташкентского землетрясения 1966 г. работы по поиску предвестников были усилены. В настоящее время известны и используются нижеследующие предвестники землетрясений.

Пространственно-временной ход сейсмичности. Метод был предложен в середине 1960-х годов советским сейсмологом С.А.Федотовым, будущим директором Института вулканологии РАН в г. Петропавловске-Камчатском. При анализе большого статистического материала по землетрясениям в Курило-Камчатской зоне он обнаружил, что сильнейшие землетрясения мигрируют здесь и повторяются с периодом около 100 лет. При этом новые мощные землетрясения происходят в «молчащих» до этого времени участках, т.е. там, где их долгое время до этого не было. Эта методика долгосрочного прогноза подтвердилась сейсмическими событиями в Курило-Камчатской зоне в период 1965-1970 гг. В настоящее время достоверность прогнозов по методике А.С.Федотова оценивается в 70-80%.

Аналогичные результаты были получены и на Гармском полигоне в Таджикистане, где исследователи ИФЗ РАН обнаружили изменение сейсмического фона во времени и его связь с геологическими структурами. Фон сначала растет в течение 7-8 лет, а затем в области будущего сильного землетрясения отмечаются сейсмические затишья. Кроме того на полигоне в результате длительных наблюдений был выявлен эффект изменения соотношения энергии высоко- и низкочастотных волн перед землетрясениями.

Форшоки. Форшоки это слабые землетрясения, которые возникают на фоне долгого (десятки-сотни лет) затишья за месяц-полтора до сильного землетрясения. Более всего исследовались как предвестники японскими сейсмологами. Хорошим предвестником, очевидно, могут служить только в тех районах, где землетрясения не отмечались десятилетиями. В сейсмически активных областях встает трудноразрешимая задача научиться отличать форшоки от роя обычных слабых землетрясений. Впрочем, здесь может оказаться полезным наблюдение, сделанное на Гармском полигоне советскими сейсмологами И.Л.Нерсесовым и И.Г.Симбирцевой, которые заметили переориентацию осей напряжения в очагах слабых предшествующих землетрясений. На первом этапе ориентировка осей сжатия в очагах довольно хаотична. За год полтора до события они группируются в области азимутов 90-180°, а за 3-4 месяца оси сжатия резко меняют свои направления на азимуты менее 90°.

Изменение соотношение скорости продольных и поперечных сейсмических волн. Там же на Гармском полигоне в 1962 г. А.М.Кондратенко и И.Л.Нерсесов выявили эффект изменения скорости Р-волн после сильного землетрясения на 10-12%. В 1969 г. сотрудник Гармской экспедиции А.Н.Семенов при анализе длинных рядов сейсмичности выявил эффект вариации отношения сейсмических скоростей Vp/Vs перед землетрясением. Сначала это отношение уменьшается на 8-10%, затем следует его (отношения) восстановление, после чего и происходит сейсмический толчок. Этот прогностический метод при наличии сейсмостанции в данном районе очень важен и удобен, т.к. поддается инструментальному измерению и численному выражению. Если отношение скоростей падало 2 месяца, через 2 месяца и следует ожидать события. К тому же длительность интервала снижения скоростей, коррелирует с силой ожидаемого землетрясения. Так, после снижения скоростного отношения длительностью 2 месяца магнитуда землетрясения составила 4,0, а после четырехмесячного снижения — 5,5. К сожалению, достоверность прогнозов не достигает 100%, хотя метод с успехом использовался и в СССР, и в США.

Деформации земной поверхности. Глубинные процессы подготовки землетрясения приводят к деформации земной поверхности. Это обстоятельство давно было замечено сейсмологами СССР, США и Японии, что привело к постановке геодезических сетей наблюдения. На Гармском полигоне была выявлена связь смещений реперов при повторной нивелировке с изменением сейсмического фона. Важно, что перед сейсмическим толчком меняется знак смещения поверхности. Изменение характера деформации земной поверхности обнаруживают связь с сильными землетрясениями на расстоянии до 100 километров.

Исследования деформации земной поверхности для прогноза землетрясений особенно активно используются в Японии и США. Очень интересны наблюдения смещения реперов вдоль разлома Сан-Андреас. Здесь возле городка Палмдейл у Лос-Анджелеса с 1959 г. по 1974 г. наблюдалось очень медленное поднятие участка поверхности лавового купола площадью 13000 км. Центральная часть его стала выше на 45 см, после чего поднятие прекратилось. Два разрушительных землетрясения в этой зоне произошли в 1989 и 1991 гг.

Изменение уровня грунтовых вод. Феномен резкого колебания уровня воды в водоемах особенно заметный в колодцах, был известен еще в древнем Китае, а в Японии используется для прогноза землетрясений с 684 г. Особенно информативны термальные источники, обычно приуроченные к вулканическим постройкам или разломным зонам. Незадолго перед землетрясениями наблюдаются скачки дебита воды, вплоть до полного иссякания, нередки выбросы грязи и газа, резкие колебания температуры воды.

В наше время эти эффекты поставлены на службу предсказания землетрясений во многих странах, особенно успешные исследования этого рода были проведены в СССР во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии под руководством Г.С.Вартаняна. В сейсмоопасных районах СССР была разбурена сеть скважин, в которых велись непрерывные наблюдения за уровнем воды. Идейная основа такого прогноза состоит в том, что все напряжения, которые испытывает земная кора при подготовке землетрясения, мгновенно передаются на водные горизонты, так называемое глобальное гидродеформационное поле (ГГДП).

Удачным примером использования гидрологических параметров являются наблюдения сахалинских ученых в г. Южно-Курильске (о. Кунашир в Курильском архипелаге) в 1992 г. Отмечались изменения уровня воды в колодцах и дебита скважины № 5 в пос. Горячий Пляж у подножия вулкана Менделеева. Выводы об усилении тектономагматической активности региона, подкрепленные анализом сейсмологических материалов, полученных под руководством известного сахалинского геофизика Т.К.Злобина, были своевременно доложены администрации Южно-Курильского района и командованию Курильского погранотряда. С 8 по 12 января 1993 г., а затем 4 октября 1994 г. в районе произошло несколько крупных и катастрофических землетрясений.

Изменение электрических полей. Электромагнитные явления, связанные с землетрясениями, начали изучаться в Японии еще в 1886 г. На Гармском полигоне в Таджикистане советскими сейсмологами при режимных наблюдениях был установлен эффект уменьшения кажущегося электрического сопротивления длительностью 2-3 месяца перед сейсмическим событием. Этот эффект объясняется изменением электрических свойств пород на глубине из-за привноса жидкости и изменении давления.

На Камчатке за 1-2 недели до землетрясений с амплитудой М>5 наблюдались изменения уровня электро теллурических аномалий, т.е. аномалий земных токов, имеющих бухтообразную форму. Эффекты вариаций электромагнитного поля наблюдались в Японии перед Нефтегорским землетрясением 1995 г. на Сахалине. Однако в целом эти методики еще малорезультативны и надежных предвестников землетрясений давать не могут.

Геохимические аномалии. Предвестники этого рода основаны на эффектах изменения химического состава природных вод и газов в источниках, колодцах, скважинах перед землетрясениями. Особенно ярко эти феномены проявляются в термальных водах на вулканах (в том числе и грязевых) и в разломных зонах. Спектр элементов, которые изучаются с этой целью, довольно широк. К сожалению, геохимические эффекты, так же как и электромагнитные не стабильны, что снижает их прогностическую ценность. Однако изучать их нужно, т.к. отсутствие стопроцентных предвестников заставляет использовать их комплекс, и чем обширнее он будет, тем точнее будет предсказание.

Особое внимание в группе геохимических предвестников заслуживает изучение характера выделения глубинных газов. Выше мы указали, что в последние годы целый ряд исследователей (А.А.Маракушев, И.К.Карпов, В.С.Зубков, И.Л.Гуфельд) выдвинули гипотезы, связывающие напрямую сейсмичность с процессом глубинной дегазации. В таком случае наблюдение этого процесса максимально приближено к его результату — сейсмичности, и прогноз должен быть наиболее достоверным.

В 1956 г. в СССР под Ташкентом были начаты наблюдения за выделением газа радона. Ровно через 10 лет в 1966 г. здесь произошло катастрофическое землетрясение. Оказалось, что за 2-3 недели перед землетрясением содержание радона увеличилось втрое. Эффект оказался столь ярко выраженным потому, что скважина где проводились измерения радона была расположена всего в 2 км от эпицентра. После этого измерения радона стали проводиться в прогнозных целях во всех сейсмоопасных регионах страны. Позже аналогичные исследования получили развития за рубежом. В Китае в 1969 г., в Японии в 1973 г.

В дальнейшем уже на Гармском полигоне были поставлены прогностические работы по гелию. В последние годы начались исследования выделения водорода как предвестника землетрясений. Первые результаты были получены под руководством Г.И.Войтова в Дагестане. Здесь в 2000 г. за 3 дня до землетрясения, был зафиксирован всплеск концентрации подпочвенного водорода.

С 2005 г. аналогичные исследования проводятся нами совместно с сотрудниками Геологического института КНЦ РАН (В.А. Нивин и др.) на Кольском полуострове. Сопоставление хода водорода и времени реализации сейсмических событий в пределах Ловозерских лопаритовых и Хибинских апатитовых месторождений показало, что многим из них предшествует повышение интенсивности эманаций. Однако, наиболее крупные сейсмособытия предваряются минимумами газовыделения (рис. 1). Такая динамика хода подпочвенной концентрации водорода может быть обусловлена сжатием участка массива при увеличении нагрузки. При этом объем трещин в нем и, следовательно, проницаемость уменьшаются, а выделение газа снижается. После разрядки напряжения в той или иной форме, в массиве происходит раскрытие старых и образование новых трещин, что способствует нарастанию газовыделения.

Поведение животных. Примеры аномального поведения животных перед землетрясениями многочисленны. Они описаны в специальной литературе. [Икея М. Землетрясения и животные. От народных примет к науке. М.: Научный мир, 2008. 320 с.]. Сейчас известно около 70 видов животных, способных чувствовать приближение землетрясений. Среди них млекопитающие, птицы, пресмыкающиеся, рыбы. Домашние животные испытывают тревогу и пытаются покинуть здание перед землетрясением. В части первой нашего цикла «Ликбез по землетрясениям» мы писали об аномальном поведении слонихи в Калининградском зоопарке за несколько часов до землетрясения. Птицы в клетках начинают кричать и метаться, аквариумные рыбки, наоборот, неестественно застывают. Очень чувствительны змеи, которые перед землетрясением массово покидают норы. Крысы всеми способами пытаются покинуть подвалы зданий и будучи запертыми, прогрызают толстые стены или роют ходы наружу. В водоемах наблюдаются случаи массового выброса рыбы на берег. Причины повышенной чувствительности животных неясны. Изучением вопроса занимаются исследователи многих стран. В 1976 г. в Калифорнии проводилась международная конференция, посвященная этой проблеме. Что же заранее улавливают животные? Предлагаются различные варианты — электромагнитные колебания, подземные шумы, микросейсмичность, ультразвуковые сигналы, изменение атмосферного давления и др. Со своей стороны, хочу добавить еще фактор дегазации. Усиление глубинной дегазации, т.е. повышенное выделение восстановленных газов (водорода, метана, угарного газа), которые или сами являются ядовитыми или влияют на концентрацию кислорода в воздухе, обязательно должно улавливаться всеми аэробными организмами.

В сейсмоопасных районах Японии и США организованы специальные пункты наблюдения за поведением животных. Можно утверждать, что на сегодняшний день, аномальное поведение животных является наиболее достоверным предвестником землетрясений, относиться к которому нужно самым серьезным образом. Так как поступили 4 февраля 1975 г. власти китайского города Хайнэня в Манчжурии, о чем мы говорили выше.

Атмосферные явления. В Гималаях землетрясения происходят наиболее часто во время муссонных дождей. Наблюдается связь землетрясений с приливами и отливами, заполняющими водоемы в новолуния и полнолуния. Иногда за несколько суток перед землетрясением появляются высокие тонкие облака. Эти «сейсмические» облака приурочены к разломным зонам. Они прекрасно фиксируются со спутников и космических станций. Образуются они, скорее всего, из-за выбросов глубинных газов и аэрозолей, которые служат ядрами конденсации атмосферной влаги.

Озоновые аномалии. Очень интересен вопрос о связи землетрясений с изменением общего содержания озона (ОСО). Отечественный исследователь А.В.Тертышников убедительно доказал наличие такой связи. Природа ее легко объясняется с позиций водородной теории разрушения озонового слоя. Виновником разрушения является с нашей точки зрения глубинный газ — водород, выделение которого усиливается перед землетрясением, о чем говорилось выше. Связь сейсмичности с состоянием озонового слоя особенно интересна тем, что планетарное поле ОСО ежедневно отслеживается специальными спутниками и соответствующие карты общедоступны в Интернете. Для примера можно сказать, что за несколько дней до трагического землетрясения 26 декабря 2004 г. в Индийском океане, которое вызвало убийственную волну — цунами, на спутниковых картах поля ОСО инфракрасной съемкой были зафиксированы отрицательные аномалии озона над Индонезийским архипелагом, в том числе и точно над эпицентром будущего землетрясения.

Ионосферные аномалии. В 1980-е годы прошлого столетия были обнаружены резкие всплески интенсивности электромагнитных низкочастотных шумов в диапазоне 100 Гц-20 кГц над эпицентрами сильных землетрясений за несколько часов до события. За 2-3 суток до сейсмособытия на высотах внешней ионосферы наблюдаются изменения плотности и температуры плазмы. Эти возмущения ионосферы сохраняются несколько суток после землетрясения.

Ионосферные предвестники, так же как и озоновые аномалии, и линейная облачность вдоль разломных зон могут быть легко обнаружены из космоса, их мониторинг обеспечен группировками ИСЗ, что решает сложную, но чрезвычайно важную проблему прогноза землетрясений в труднодоступных районах суши и даже в океане.

Космическая ритмика. Важнейшую прогностическую информацию имеет закономерно меняющееся взаимное расположение планет в Солнечной системе, в первую очередь Земли, Луны и Солнца. Оно влечет изменение гравитационного воздействия на Землю, на которое последняя реагирует изменением положения твердого ядра относительно жидкого, что приводит к усилению глубинной дегазации. «Если изменяются вращательные параметры спутника, то должны изменяться и параметры вращения Земли. А это повлечет за собой: изменение фигуры Земли, перетекание подкорового пластического материала мантии, изменение течений в гидросфере, ядре, изменение климата».

«Солнечные» 11-летние циклы сейсмической активности известны давно и описаны еще А.Л.Чижевским [Земное эхо солнечных бурь. М.: Мысль,1976. 367 с.]. Фундаментальной сводкой по этой проблеме является работа А.Д.Сытинского [Связь сейсмичности Земли с солнечной активностью и атмосферными процессами. Л., Гидрометеоиздат, 1987 г.]

«Лунные» (18,6 лет) циклы выявлены исследованиями длительных рядов сейсмичности Байкальской впадины, при этом через половину срока (9,3 г.) землетрясения северо-западного ряда сменяются землетрясениями юго-восточного ряда. За 150 лет (до 1966 г.) здесь было зафиксировано 23 сильных землетрясения от 6 до 10 баллов.

Заметим, что приливное действие Солнца в 2,17 раза меньше лунного, однако наша звезда может эффективно влиять на земное ядро и за счет электромагнитного излучения, особенно мощного во время солнечных бурь. Более подробно проблема космического воздействия на Землю рассмотрена нами в 2001 г.

Космические технологии в совокупности с наземными измерениями наиболее эффективных из отмеченных выше предвестников, легли в основу комплексного метода прогноза и мониторинга признаков землетрясений, разработанного в Научном центре оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ) Роскосмоса под руководством Л.Н.Доды.

Наличие признаков подготовки землетрясений, по мнению разработчиков, обусловлено причинно-следственной связью аномалий гравитационного и электротеллурического полей, нестабильностью вращения и обращения Земли, протонной диффузией в геооболочках, с одной стороны, и сейсмотектонических процессов — с другой. Факт совпадения отмеченных аномалий по месту и времени может указывать на приближение мощных землетрясений с магнитудой больше 6,0. Облачные сейсмотектонические индикаторы, фиксируемые из космоса, позволяют определить возможную магнитуду землетрясений и локализовать зону его подготовки. Метод обеспечивает среднесрочный прогноз землетрясений с 2-3-недельным упреждением по дате, а также по месту в рамках 7-градусной круговой зоны.

Сложность временного прогноза практически всех стихийных бедствий и, в первую очередь, землетрясений, связана с их неоднозначностью. Да, науке сегодня известны десятки предвестников катастрофических событий. Да, они отслеживаются, но ни один из них не работает на 100%. Отсюда возникает проблема реализации недостоверного прогноза, т.е. проблема принятия административного решения об эвакуации населения, особенно трудная в крупных городах. Это очень дорогостоящее мероприятие колоссальной организационной сложности. Именно это обстоятельство чаще всего сдерживает управляющие органы в принятии решения об эвакуации крупных масс людей. Это же обстоятельство накладывает на людей живущих или оказавшихся в сейсмоопасных районах обязанность самим уметь наблюдать и определять признаки готовящегося землетрясения. Из перечисленных выше по значимости и достоверности предвестников отметим на первом месте аномальное поведение животных и аномальные явления в естественных источниках воды. Это те признаки, которые можно наблюдать без инструментального оснащения и без специальных знаний и навыков.

Продолжение следует…