Повторяемость землетрясений и сейсмические бреши

Землетрясение представляет собой разрушение материала земных недр под воздействием тектонических напряжений. По теории упругой отдачи Дж. Рейда, можно предположить, что следующее землетрясение в том или ином сегменте разлома произойдет лишь после того, как уровень накопленных напряжений достигнет некоторого порогового уровня, превышающего предел прочности материала. Скорость накопления тектонических напряжений определяет период повторяемости землетрясений, и при постоянной скорости этот период должен быть достаточно стабильным. Анализируя данные о сильных землетрясениях Камчатки, Курильских островов и северной части Японии, С.А. Федотов в 1965 г. заметил периодичность сильных землетрясений и, развивая идею Дж. Рейда, ввел понятие сейсмического цикла, которое сейчас широко используется многими исследователями. С.А. Федотову (1965 г.) принадлежит также понятие «сейсмическая брешь», которое непосредственно вытекает из представлений о повторяемости землетрясений в результате медленного накопления напряжений и хорошо согласуется с основными представлениями о тектонике плит.

Было установлено, что сильные землетрясения в одном и том же сегменте границы плит обычно повторяются не чаще, чем через несколько десятилетий, а во многих местах еще реже. Период повторяемости, как уже отмечалось, определяется скоростью накопления напряжений. Сегменты, в которых не происходило сильных землетрясений в течение нескольких последних десятилетий, стали называть сейсмическими брешами. Имеется множество примеров использования сейсмических брешей для предсказания мест сильных землетрясений на границах тектонических плит. Всего с 1968 г. только в Тихоокеанском сейсмическом поясе в зонах выделенных сейсмических брешей произошло 13 сильных землетрясений. В результате анализа данных о сильных землетрясениях за последние 100 лет в окрестностях о. Хоккайдо (Япония) была уверенно выделена зона сейсмической бреши. К тому времени в этой зоне не было сильных землетрясений почти 80 лет при повторяемости сильных землетрясений в этом регионе от нескольких десятков до 100 лет и более. Во всех других зонах рассматриваемого участка сильные землетрясения произошли за последние 20 лет до рассматриваемого момента времени. Магнитуда рассматриваемого землетрясения оценивалась как М = 8,0. Автор работы изложил свои соображения на заседании координационного комитета Японии по прогнозу землетрясений. В июне 1973 г. в выявленной им зоне сейсмической бреши произошло землетрясение с М = 7,4, афтершоки которого заполнили зону сейсмической бреши.

К. Моги (1988 г.), проанализировав ту же последовательность землетрясений, пришел к выводу, что можно было предсказать не только место, но и примерное время возникновения землетрясения 1973 г. с М = 7,4. Он заметил, что интервалы времени между последовательными событиями от начала цикла до его конца постепенно и закономерно уменьшаются.

Для описания повторяемости землетрясений и объяснения феномена сейсмической бреши существует много моделей. В уже упоминавшейся работе К. Моги (1988 г.) предложена и проанализирована простая модель (состоящая из нескольких пружинок, сжимаемых между двумя пластинами), которая объясняет отмеченную им закономерность изменения временных интервалов между последовательными событиями в цикле. Небольшое усложнение этой модели приводит к возникновению, наряду с циклами, детерминированного хаоса.

Деформационные предвестники

К деформационным обычно относят предвестники землетрясений, выявленные на основании данных наблюдений за медленными движениями земной поверхности. Такие наблюдения представляют собой один из основных методов поиска предвестников различных геодинамических явлений, в том числе землетрясений. Это объясняется тем, что они позволяют фактически непосредственно контролировать процесс изменения напряженного состояния и деформирования земной коры.

Для мониторинга медленных движений земной коры при изучении тектонических процессов и поиске возможных предвестников землетрясений используется большое количество методов, обеспечивающих измерения на разных масштабных уровнях. Интегральные характеристики перемещений литосферных плит и крупных блоков земной коры изучаются с помощью повторных геодезических съемок и светодальномерных измерений, методов космической геодезии. Поскольку неоднородные горные массивы характеризуются резкой неоднородностью деформаций и изменений физико-механических свойств горных пород, значительный интерес представляют изменения на малых базах. Для их проведения разработан ряд деформографов и наклономеров различных типов. К настоящему времени наибольшее распространение получили кварцевые деформографы. В этом случае базы измерений составляют, как правило, десятки метров, а между точками крепления кварцевой трубы могут находиться отдельные неоднородности и тектонические нарушения различной ориентации. Идеальной реализацией стремления осуществлять локальные наблюдения является, по-видимому, мониторинг смещений по отдельным тектоническим нарушениям и трещинам.

Перечисленные методы обеспечивают прямые измерения деформаций горных массивов. Однако объемное деформирование горных пород приводит и к изменениям уровня подземных вод, что послужило основанием для развития гидрогеодеформационного метода прогноза землетрясений.

Под прогнозом землетрясения обычно подразумевают предсказание энергии, места и времени его возникновения. Однако ограничение только этими параметрами ожидаемого сейсмического события изначально предполагает ориентацию на чисто эмпирический подход в исследованиях по прогнозу землетрясений. С методологической точки зрения уже сейчас необходимо в качестве одной из главнейших ставить задачу предсказания не только энергии, места и времени возникновения землетрясения, но и его фокального механизма. Для этого нужно пересмотреть требования к системам прогностических наблюдений и применяемым методам интерпретации данных, более целенаправленно изучать природу процессов в очаговых зонах. С практической точки зрения, предсказание фокального механизма землетрясения позволит более точно оценивать характер сильных движений земной поверхности в различных пунктах. Только на пути глубоких фундаментальных исследований природы тектонических сил и характера накапливаемых в регионе упругих деформаций можно ожидать реального продвижения вперед в решении столь сложной и важной проблемы, как прогноз землетрясений.

Экспериментальной основой таких исследований являются данные геодезических наблюдений, предоставляющие возможность слежения за развитием процесса накопления упругих деформаций в больших объемах земной коры. Они могут использоваться для определения размеров и пространственного положения зон с аномальным характером движений земной поверхности, оценок скоростей этих движений. Важность результатов повторных геодезических измерений для понимания процессов подготовки землетрясений была убедительно продемонстрирована еще в начале века, когда именно на их основе была разработана теория упругой отдачи Дж. Рейда. По мнению А.К. Певнева (1988 г.), основанному на результатах многочисленных полевых данных наблюдений, геодезические наблюдения являются единственным методом, способным обеспечить детерминированный прогноз места и энергии ожидаемых сильных коровых землетрясений. Он считает, что при накоплении сдвиговых деформаций появляется экспоненциальное распределение упругих смещений в породах сейсмогенного слоя, которое может быть измерено геодезическими методами.

Электромагнитные предвестники

Одним из возможных механизмов электризации горных пород при их деформировании и разрушении может быть пьезоэффект кварцсодержащих пород. Однако электромеханические явления наблюдаются и в горных породах, не обладающих пьезоэлектрическими свойствами.

Электризация возникает при неоднородном поле напряжений в образце, причем появление электрического поля и его изменения отражает наличие динамических процессов в очаге готовящегося разрушения независимо от характера развития механических напряжений в массиве горных пород.

Наблюдения за вариациями естественных электрических полей широко и весьма успешно используются для изучения напряженного состояния массивов в горных выработках. С помощью этого метода определяют расположение и размеры нарушенных зон массива и их развитие. При этом появление в некоторые моменты времени в массиве структурно-нарушенных участков четко отмечается по локальным изменениям электрического потенциала, что позволяет оценивать опасность возникновения горных ударов. Установленные общие закономерности и диапазон изменений потенциала в пределах зоны опорного давления применительно к различным породам позволили разработать автоматизированную систему оповещения об опасных проявлениях горного давления.

Таким образом, и в горных выработках метод измерения электрических полей оказывается информативным средством изучения изменений напряженного состояния массивов, что также находит применение в решении проблемы прогноза землетрясений.

Самые разрушительные землетрясения:

- в Китае в 1556 г. погибло 830 тысяч человек;

- в Италии в 1908 г. погибло 83 тысячи человек;

- в Китае в 1920 г. погибло 100 тысяч человек;

- в Японии в 1923 г. погибло 137 тысяч человек;

- в Ашхабаде в 1948 г. погибло 110 тысяч человек;

- в Таджикистане в 1949 г. погибло 20 тысяч человек;

- Тянь-шаньское в Китае 1976 г. погибло 255 тысяч человек;

- в Иране в 856 г. погибло 200 тысяч человек;

- в Сирии в 1138 г. погибло 230 тысяч человек.