Главная   Гостевая   Галерея   Разное   Ссылки   Новости   Магазин

 

 

  Ашхабадское   Лиссабонское   Южная Греция   Мессина и Калабрия   Ганьсу   Токийское   Самые сильные

 

 

 
 
 

Земные катастрофы.



Землетрясения. Владимир Шумилов о возможности прогнозирования землетрясений.

 
     



 
 
 

 

Точные прогнозы землетрясений могли бы спасти тысячи жизней (фото с сайта lift.wvlc.lib.wv.us).
Точные прогнозы землетрясений могли бы спасти тысячи жизней (фото с сайта lift.wvlc.lib.wv.us).

Природа устроена просто, иначе ничего бы не работало. Вот только простоты этой много, отсюда и сложности.

Пятьдесят лет назад геофизики–сейсмологи были полны оптимистической уверенности, что в ближайшие 5 лет они научатся прогнозировать землетрясения. Были подмечены изменения самых разных параметров (доступных для измерений в то время) перед приходом землетрясений.

С целью прогнозирования учёные наблюдали ничтожные изменения наклона земной поверхности, колебания уровня грунтовых вод, прохождение сейсмических волн через земную кору (скорость и затухание), измеряли концентрацию газов, выходящих из земных недр.

Велась статистическая обработка сейсмических событий по выделению предвестников землетрясений – афтершоков (малых землетрясений, предваряющих большие). Но их удавалось обнаружить только задним числом – уже после главного удара. До землетрясения никто с уверенностью не мог и сейчас не может сказать, что вот именно этот слабый толчок является предвестником удара стихии.

Другие учёные наблюдали поведение различных животных: непосредственно перед землетрясением многие животные проявляют беспокойство. Японцы даже держат некоторых аквариумных рыбок, поведение которых меняется перед землетрясением – то ли они ощущают изменения электрических полей, то ли слышат какие-то звуки (сверхнизкочастотные?).

Прошло 50 лет, сейсмологам иногда уже удаётся сделать предсказания землетрясения (сбывающиеся в неопределённое время, к тому же, пока с малой вероятностью).

А вот по поводу краткосрочных прогнозов (прогнозирующих землетрясения в ближайшее время – минуты, часы, дни, недели) большинство сейсмологов полагает, что они не только не предвидятся в обозримом будущем, но и, вообще, невозможны.

Но лично я уверен, что уже сегодня мир имеет и научный, и технический потенциал, более чем достаточный для построения системы и долгосрочного, и краткосрочного прогнозирования землетрясений.

Более того, сравнивая ежегодные потери человечества (и даже отдельных стран) от землетрясений с затратами на создание системы прогнозирования, приходим к выводу, что построение и использование такой системы экономически выгодно.

Эта система должна включать в себя не только прогнозирование будущих землетрясений, но и систему оперативного извещения населения о приближении сейсмических волн и волн цунами от только что произошедших сильных землетрясений.

По оценкам, создание системы прогнозирования обойдётся в сумму порядка $10 миллиардов. Ежегодные эксплуатационные расходы намного меньше. Суммы, в общем-то, немалые. Поэтому глобальную систему прогнозирования землетрясений (а только глобальной и может быть такая система), следовало бы создавать сообща.

Задача прогнозирования вполне решаема. Но почему же эта задача не была решена до сих пор?

Все попытки прогнозирования, вернее, предсказания землетрясений, имевшие место до настоящего времени, похожи на наши шуточные попытки обоснования (в студенческие годы) способа определения температуры воздуха за окном по скрипу снега под ногами прохожих.

Конечно же, как-то оценить её можно. Но гораздо проще и точнее измерить температуру при помощи предназначенного для этой цели прибора – термометра, высота (длина) столбика которого прямо связана с температурой.

Также следует поступать и при прогнозировании землетрясений – нужно мерить параметры, непосредственно, прямо и понятно связанные с процессом землетрясения, а не величины, связанные с землетрясениями сложным, часто непонятным образом.

А теперь о сути метода прогнозирования землетрясений, как мы его себе представляем.

Понятно, что говорить о землетрясении, как о результате какого-то столкновения плит земной коры, совершенно некорректно. Что означает слово "столкновение"? Оно означает, что две плиты сближаются (расстояние между ними уменьшается) с некоторой скоростью, отличной от нуля.

В момент столкновения (сокращения расстояния между движущимися массами до нуля) скорость масс обращается в нуль, а края их деформируются. На эту деформацию и уходит кинетическая энергия двигавшихся масс.

Но, на самом деле, все плиты земной коры всегда находятся в плотном контакте, так что говорить о "столкновении" плит и о кинетической энергии этого столкновения нет никаких оснований.

Говорить можно только о пластической деформации краёв плит в ходе механических перемещений в момент превышения предела прочности по мере нарастания напряжений (упругих деформаций) "сжатия" или "сдвига". В крайнем случае, можно говорить о разрыве плит. И всё это справедливо, независимо от природы движущих сил землетрясений.

Какова бы ни была природа сил, порождающих землетрясения, с точки зрения механики землетрясение совершенно бесспорно выглядит так: в ходе каких-то процессов в недрах Земли в твёрдом веществе верхних слоёв планеты нарастают механические напряжения, проявляющиеся в виде упругих деформаций.

Когда механические напряжения в теле Земли в какой-то момент времени превышают предел прочности пород недр в какой-то точке и её окрестностях, тогда (и там) происходит быстрая пластическая деформация пород (вертикальные и/или горизонтальные сдвиги – смещения и/или разрушение пород) под воздействием механических напряжений (упругих деформаций), уменьшающихся в ходе пластической деформации. То есть, происходит землетрясение с очагом в окрестностях этой самой точки.

При этом потенциальная энергия упругих деформаций огромных объёмов пород в окрестностях очага землетрясения частично расходуется на изменение структуры (разрушение пород в очаге землетрясения), частично переходит в тепло. В очаге землетрясения в тепло превращается малая часть энергии (при трении смещающихся пород).

Большая же часть потенциальной энергии упругих деформаций переходит в кинетическую энергию сравнительно быстрого смещения масс в очаге землетрясения (в масштабах расстояний и скоростей распространения возмущений). Вследствие чего и порождаются сейсмические волны, исходящие из очага землетрясения и рассеивающиеся, поглощающиеся с превращением в тепло во всём земном шаре. В том числе, в гидросфере и атмосфере.

Механическая модель землетрясения, отражающая основные черты землетрясения, может быть легко и наглядно реализована даже в домашних условиях, на столе, за которым Вы сидите:

Пусть на шероховатом столе лежит брусок (книга), имеющий массу M и давящий на поверхность стола с силой своего веса P = M • g,

на него через длинную пружину с малым коэффициентом жесткости k (динамометр, или просто длинную тонкую резинку) действует крюк лебёдки (твёрдая рука!), движущийся с постоянной, причём очень малой скоростью.

При этом (учитывая, что сила трения покоя бруска по поверхности стола (=P • kr) гораздо выше силы трения скольжения (=P • ks)) мы будем наблюдать картину, которую можно отобразить в следующем рисунке:

 

Механическая модель землетрясения.

 

В ходе медленного движения крюка лебёдки с постоянной скоростью постепенно увеличивается сила, действующая на брусок (растягивается пружина – увеличивается её деформация Δx (брусок неподвижен, а крюк движется)). Когда сила, действующая на брусок со стороны пружины, превысит силу трения покоя (M • g • kr), брусок начнёт двигаться под действием суммы трёх сил: сила инерции (M • a), сила со стороны пружины (k • Δx) и сила трения скольжения (М • g • ks).

Для этих сил можно записать следующее равенство:

M • a = k • Δx – (М • g) • ks.

При этом брусок (покоившийся до того в положении S0) сначала ускоряется в сторону пружины под действием с её стороны всё уменьшающейся силы (уменьшается растяжение пружины).

Затем, по мере уменьшения растяжения пружины, ускорение "а" уменьшается, скорость "V" достигает максимума (в этот момент ускорение равно нулю, сила натяжения пружины равна силе трения скольжения).

Далее под действием практически постоянной силы трения скольжения и уменьшающейся силы натяжения пружины ускорение становится отрицательным (происходит замедление бруска). Наконец, скорость бруска V падает до нуля, он останавливается.

Сила трения резко (скачком) возрастает (трение покоя намного выше трения скольжения). И брусок остаётся неподвижным (в положении S1) до следующего превышения силы трения покоя. И так далее…

В нашей простой модели превышение силы трения покоя бруска по столу эквивалентно превышению предела прочности пород земных недр. Движение бруска эквивалентно землетрясению (быстрым пластическим деформациям в очаге землетрясения).

Скольжение бруска по столу эквивалентно процессу скольжению пород земной коры по поверхности сдвига в очаге землетрясения, а также механическому движению – скольжению – смещению пород в ходе их разрушения.

Что касается аналогии между сдвигом бруска по поверхности стола и сдвигом плит земной коры по поверхности сдвига, то её правомерность очевидна. Но точно так же при сжатии нижние поверхности горных хребтов скользят по краям плит, выдавливающих их из зоны сжатия. При этом сами горные хребты в ходе их выдавливания приподнимаются над равниной.

В то же самое время несколько большие объёмы пород выдавливаются из зоны сжатия вниз, образуя при этом так называемые корни гор (см [1]). Напряжение в зоне сжатия приблизительно такое же, как и на небольшом расстоянии от этой зоны, в теле монолитной плиты.

Просто прочность массивов пород в зоне сжатия ниже из-за большего количества дефектов, образовавшихся там в ходе предыдущих пластических деформаций–землетрясений.

Скольжение горных массивов при их выдавливании из зоны сжатия проиллюстрировано на рисунке:

Скольжение выдавливаемых гор.

 

В качестве пружины (но, в основном, сжимающейся или изгибающейся, а не растягивающейся, как в нашей настольной модели) выступают породы самой земной коры. Масса бруска эквивалента массе пород, двигавшихся при землетрясении. В качестве крюка лебёдки выступают некие, пока неизвестные нам силы (описанные, впрочем, в книге "Закон Архимеда и землетрясения" [1]).

Из сказанного вытекает, что для прогнозирования землетрясений необходимо знать следующее: текущий предел прочности пород, текущее механическое напряжение, прогноз изменения прочности и напряжений на будущее время, в том числе и на ближайшее.

Теперь становится понятно, почему до сих пор совсем не удавались краткосрочные прогнозы, хотя иногда удавались долгосрочные.

Просто при попытках долгосрочного прогноза в различных моделях землетрясений неявно делался прогноз изменения главных движущих сил (пусть даже неизвестных), порождающих землетрясения – проводилась линейная экстраполяция всех явно и неявно учитываемых в данном методе факторов. В нашей простой модели в качестве всех таких факторов выступает движение крюка лебёдки с постоянной скоростью.

В краткосрочных же прогнозах решающую роль могут играть второстепенные факторы, вклад которых в приход землетрясения гораздо меньше основных, но очень медленно изменяющихся сил. Эти, казалось бы, малозначительные факторы играют роль спускового крючка.

Их вклад мал, но они быстро изменяются по величине. Так что их очередное быстрое изменение может стать последней каплей, превышающей предел прочности пород, и начнётся землетрясение.

Понятно, что предсказать момент начала землетрясения без учёта этих быстро меняющихся сил, казалось бы, второстепенных, невозможно. Картина начала землетрясения полностью аналогична началу схода снежной лавины.

Понятно, что лавина движется под действием огромной силы тяжести снежной массы. И начинает она своё движение в тот момент, когда сила тяжести снега превысит силу сцепления этого снега со склоном.

Это может произойти и из-за увеличения веса снега во время снегопада, и из-за уменьшения прочности снежного покрова склона при повышении температуры. Но эти главные факторы меняются сравнительно медленно. Лавина же часто начинает своё движение от неосторожного движения лыжника, от брошенного камня, от звука выстрела, или даже просто от громкого крика.

В нашей настольной модели землетрясения спусковой причиной может послужить снятие с бруска дополнительного груза (карандаша, зажигалки), сотрясение стола от удара или даже от громкого звука.

Из сказанного видно, что для построения системы прогнозирования землетрясений необходимо не только измерять какие-то параметры, но надо ещё и иметь модель, адекватно отображающую не только все основные силы, определяющие процессы, протекающие в глубинах Земли, но и сравнительно малые, зато быстро меняющиеся силы, и прогнозировать их.

Такая модель приводится и обосновывается в [1]. Согласно этой модели главными движущими силами землетрясений являются медленно меняющиеся (по нашим человеческим меркам) силы Архимеда, а также производные от них и сопряжённые с ними силы (возникающие при спрединге – расширении океанического дна, а также в результате уменьшения размеров Земли в ходе очень медленного, миллиардолетнего уменьшения температуры недр Земли).

Так, максимальная скорость увеличения высоты земной поверхности над уровнем моря вследствие подъёма-всплывания материковой плиты ограничивается 1 мм в год [1].

Гораздо быстрее меняются силы, играющие роль последней капли или спускового крючка. Таких сил множество. Это могут быть и падения крупных метеоритов (астероидов), и сильные взрывы, и растущие или тающие ледники, и весенние половодья, и заполняющиеся водохранилища.

Но самыми главными спусковыми силами являются приливные силы, порождаемые Луной и Солнцем, а также силы атмосферного давления. Действительно, вполне возможное изменение атмосферного давления всего лишь на 3% по своему воздействию на земную кору эквивалентно появлению или исчезновению на огромном участке земной поверхности слоя воды толщиной в 30 сантиметров, или каменного слоя толщиной в 10 сантиметров.

И такие изменения происходят в течение всего лишь нескольких часов! Тогда как изменение основных движущих сил землетрясения – сил Архимеда – на эквивалентную по воздействию величину происходит за сотни лет.

Вот и получается, что главные движущие силы землетрясения определяют время прихода землетрясения с очагом в данной точке с точностью до столетия и десятилетия, тогда как сравнительно малые спусковые, но быстро меняющиеся силы задают это время с точностью до часов и минут.

Так что для прогнозирования времени прихода землетрясения нам нужно не только точно измерять напряжения в земной коре и её прочность, но и знать точный прогноз изменения приливных сил и прогноз погоды (в части изменения атмосферного давления над различными участками земной поверхности).

Кстати, точность современных астрономических наблюдений достигла такого уровня, что и астрономы вынуждены учитывать влияние приливов и изменений атмосферного давления на положение своих телескопов, жёстко связанных с поверхностью земной коры.

Величина приливных сил определяется взаимным расположением Земли, Луны и Солнца. Она максимальна во время новолуния и полнолуния, и может быть рассчитана на многие годы вперёд и назад, и сопоставлена со временем прихода землетрясений.

Такое сопоставление сделано в [1], на страницах 168-176. При сопоставлении обнаружена статистически значимая корреляция землетрясений с фазами Луны. Если бы не было других быстро меняющихся (спусковых) сил, то эта связь была бы не статистической, а однозначной, жёсткой, функциональной.

По поводу воздействия атмосферного давления таких данных нет, но мы часто читаем в газетах и слышим по радио и телевидению, что положение людей, пострадавших от землетрясения, усугубляется плохой погодой (морозы, снегопады и так далее). А эти изменения погоды как раз и связаны с изменением атмосферного давления.

Но вернёмся к измерению напряжений в земной коре. Их можно измерять самыми разными методами. Например, можно отслеживать уровень грунтовых вод – при сжатии пород земной коры их пористость уменьшается, уровень подземных вод повышается. Этот метод прост, дёшев, но неточен.

Гораздо более точные результаты даёт измерение электропроводности участка земной коры, или измерение скорости распространения звуковых волн (скорость звука в породах тем выше, чем больше механическое напряжение в них). Но эти методы дороги и громоздки в реализации.

Поэтому в [1] предлагается наиболее прямой метод измерения напряжений в твёрдой земной коре – можно сказать, по определению, то есть — по её деформации. Так что в качестве пружины–динамометра рассматривается сама земная кора.

Чем больше напряжение (удельная сила), тем больше упругая деформация коры. Регулярно измеряя с большой точностью положение точек, жёстко связанных с земной корой, мы сможем с большой точностью регулярно (постоянно) вычислять изменение взаимного расположения точек, то есть, деформации (напряжения) земной коры (аналог пружин в нашем примере с бруском) в том или ином направлении.

Нынешнее состояние космических технологий позволяет это сделать с нужной точностью, легко и дёшево. Для этого тем или иным методом периодически (скажем, с периодом в одну минуту, или даже, вообще, постоянно, непрерывно) определяется положение нужного количества точек на земной поверхности относительно нескольких искусственных спутников Земли, составляющих опорную координатную сеть, и координаты которых в каждый момент времени известны с большой точностью.

Сведения о положениях точек земной поверхности собираются со всей Земли (по крайней мере, из всей критических точек) и обрабатываются, подобно тому, как при вычислении прогноза погоды обрабатываются данные о состоянии атмосферы во множестве точек на земной поверхности (на метеостанциях) и в атмосфере.

Только всё не так уж и просто, потому что земная кора и действующие на неё силы не просто пружина и крюк лебедки, а целый континуум пружин с различными коэффициентами упругости – жёсткости и разнонаправленных сил, действующих на эти пружины.

Механические напряжения передаются через твёрдую земную кору за многие тысячи километров от места возникновения до места, где эти напряжения измеряются (или рассчитываются) и действуют.

Они складываются с напряжениями, пришедшими с других направлений. При этом возникают не только напряжения сжатия-растяжения, но и напряжения сдвига и кручения. Так что, в отличие от жидкости или газа, где напряжение характеризуется одной скалярной величиной – давлением, напряжения в каждой точке твёрдой земной коры характеризуются уже целым набором скалярных величин – тензором.

Но все эти технические трудности преодолимы. По крайней мере, до сих пор математики и физики всегда преодолевали подобные трудности.

Если бы мы начинали наши измерения деформаций (напряжений) земной коры с того момента, когда деформации во всех географических точках были нулевыми, то по изменениям расстояний между точками мы сразу бы получали величины деформаций (напряжений) земной коры.

Однако мы начнём эти наблюдения не при идеальном состоянии ненапряжённой коры, а с её текущего состояния, когда напряжения в разных точках различны, а в некоторых даже близки к пределу прочности.

Но уже завтра, когда напряжения в этих точках разрядятся при очередных землетрясениях (но не до нуля, а до какого-то остаточного!), мы сможем вести отсчёт от остаточного напряжения, которое постепенно сможем вычислить по мере накопления статистики.

То же самое относится и к пределам прочности участков земной коры – мы сможем определять их с достаточной точностью только после накопления статистики, соответственно, научившись составлять прогнозы с высокой точностью. Кроме того, для точного краткосрочного прогноза землетрясений нам понадобится и точный прогноз погоды.

Всё это потребует некоторого времени. Однако уже сегодня можно без больших затрат организовать извещение населения о распространении волн цунами по поверхности океана и о движении сейсмических волн от только что произошедших землетрясений по поверхности суши. Для этого надо использовать постоянное локационное наблюдение за поверхностью океана и суши со спутников.

Примечание: мы существенно различаем смысл терминов "прогнозирование" и "предсказание". Эти слова имеют различный уровень доверительности. Прогнозирование – вычисление параметров будущих событий, процессов по заранее обоснованному алгоритму. Предсказание – описание будущих событий на основе интерпретации текущих обстоятельств (обоснованность интерпретации не гарантируется, правила могут меняться по ходу дела).

Литература:

1. Шумилов В. Н. Закон Архимеда и землетрясения, Киев, 2005, издательство "Ника-принт".


Связаться с Владимиром Николаевичем Шумиловым можно по адресу erakovel@ln.ua.

Сведения об авторе и его работах вы можете также найти на его сайте.

Источник:Мембрана.ру

 
     

Наверх

Copyright © 2005-2015 Erender Inc. All Rights Reserved.