Цунами

О ПРОГНОЗЕ ЯВЛЕНИЯ

Предсказание любого явления, особенно стихийного, — дело чрезвычайно сложное. В природе все взаимосвязано и взаимообусловлено. Факторов, от которых зависит каждое явление, исключительно много, зачастую их просто невозможно учесть. Однако нередко именно неучтенные факторы способны изменить ход событий и кажущийся верным прогноз вдруг дает совершенно неожиданный результат. Сложность в предсказании цунами усугубляется его зависимостью от землетрясения. Поэтому и прогноз цунами следует также подразделять на долгосрочный и краткосрочный.

К краткосрочному относится прогноз цунами от уже происшедшего землетрясения. Учет всех данных, всех параметров землетрясения дает возможность и в наши дни почти точно предсказывать, будет цунами или нет. Хотя «почти» пока еще остается и, как мы увидим дальше, вводит немалый процент ошибок в предсказание, но недалек тот день, когда точный краткосрочный прогноз станет реальностью.

К долгосрочному следует отнести предсказание всех тех цунами, которые возникнут в будущем при сильных землетрясениях. Но в этом случае, очевидно, приходится говорить не столько о цунами, сколько о прогнозе сильных землетрясений.

Что же сделано в этом направлении, какие исследования ведутся учеными, чтобы обезопасить людей от рассматриваемого стихийного бедствия?

Во многих описаниях землетрясений указывается на сообщения очевидцев о том, что довольно часто при землетрясениях (иногда перед ними, иногда после них) наблюдаются случаи свечения атмосферы: то отдельные вспышки, то слабые подсветы самой разной, иногда довольно причудливой формы, то сполохи или единичные яркие шары, то отблески на облаках. В случае прохождения цунами наблюдаются и свечения морской воды (точнее, не самой воды, а микроорганизмов, возбужденных движением волны) обычно ночью. При некоторых землетрясениях отмечается возникновение гейзеров и песчаных фонтанов.

При сильных и очень сильных землетрясениях появляются видимые земляные волны и возникают очень большие трещины (следует заметить, однако, что трещины, как правило, имеют поверхностное происхождение и почти никогда не достигают глубины гипоцентра даже при мелкофокусных землетрясениях, не говоря уже о глубоких), отмечаются случаи погружения зданий в почву. Иногда происходит обводнение низменностей, даже образование целых озер в результате запруд, возникающих при обвалах и оползнях. Нередко при землетрясениях слышны подземный гул и сильный грохот. Очень часто изменяется уровень воды в колодцах и скважинах, зависящий от изменения уровня водоносного слоя внутри земной коры.

При катастрофических землетрясениях рождались новые небольшие горы и вулканы и исчезали старые, изменялось направление течения рек и образовывались крупные водопады.

По свидетельству очевидцев, Монеронское землетрясение сопровождалось гулом, напоминавшим взрывы бомб или канонаду. Гул, в частности, был слышен на расстоянии до 200 км (пос. Ильинское) в основном в направлении больших осей изосейст.

Участники экспедиции на Монерон свидетельствуют и о других явлениях, предшествовавших этому землетрясению или сопровождавших его. Так, В. С. Глинчиков, находившийся на мостике катера, обратил внимание на резкое (до шквального) усиление ветра перед толчками, хотя в эту ночь сильного ветра не наблюдалось. В море, в направлении Невельска или несколько севернее, члены экспедиции Й. В. Пригорев, В. С. Глинчиков и С. Н. Сукач наблюдали ярко-оранжевую вспышку подковообразной формы, а затем, на протяжении 5–8 мин., еще два отсвета типа зарниц, значительно менее ярких, чем первая вспышка, смещавшихся к югу. Существование указанных световых эффектов подтверждается наблюдателями и с западного берега Сахалина.

Достоверность перечисленных фактов в большинстве своем признается наукой. Однако еще бытует мнение, что землетрясения можно предсказать, пользуясь народными приметами или различными предчувствиями. Действительно, существуют рассказы очевидцев и письменные свидетельства о различных фактах аномального поведения животных, птиц, рыб, о предчувствиях людей и т. п, перед землетрясениями.

Так, например, известно, что некоторые домашние животные перед землетрясением ведут себя очень беспокойно: куры, свиньи пытаются выйти из своих помещений; кошки насовсем покидают дома; воют собаки; мычат коровы. Грызуны оставляют свои норы. Отдельные люди испытывают угнетенное состояние перед возникновением подземных толчков.

Замечено также, что некоторые породы декоративных рыбок явно меняют свое поведение в аквариумах, а у берегов в отдельных случаях исчезает промысловая рыба. Наблюдается появление или исчезновение морских водорослей. Птицы покидают свои гнезда.

Утверждают даже, что некоторые растения реагируют на стихийные проявления в природе. Так, например, королевская примула, растущая у подножий вулканов, расцветает перед извержением.

Подобного рода сообщений, как видим, немало. Что можно сказать об этом? Вряд ли разумно отрицать действительное существование многих из перечисленных фактов. Однако далеко не всегда все перечисленное подтверждается. Из бесед с жителями сейсмоактивных районов иногда можно услышать, что вроде и собака выла, и кошки бегали, и корова мычала, и человек чувствовал себя неважно, а никакого землетрясения не произошло. Бывает и наоборот — все чувствовали себя хорошо, а землетрясение произошло, и немалой силы. Иногда кое-что из таких предсказаний и оправдывается. Но отсюда совсем не следует делать вывод об их практической применимости.

Как видим, с одной стороны, имеется много факторов, которые могли бы быть использованы как биологические индикаторы предвестников землетрясения. Однако, с другой стороны, их явно недостаточно для составления надежных научных прогнозов.

К этой проблеме сейчас начинают проявлять большой интерес и правительства многих стран, и международные организации (ЮНЕСКО). Особенно это выявилось после ряда катастрофических землетрясений в последние годы в разных странах: в Агадире (Марокко) и Чили в 1960 г., в Иране в 1962 г., в Скопле (Югославия) в 1963 г.

Наибольшее внимание прогнозу землетрясений сейчас уделяется в Японии, США и СССР. Эти страны, особенно Япония, вся территория которой сейсмична, пожалуй, более всего подвержены землетрясениям и цунами. Неудивительно, что именно в Японии был сделан впервые в 1905 г. сравнительно точный долгосрочный прогноз будущего сильного землетрясения (1923 г.).

В Японии в 1962 г. была составлена программа исследований по проблеме прогноза. Она содержит (в кратком изложении) следующие основные пункты:

1. Геодезические измерения. Цель работ — получить детальные сведения о деформациях земной коры с помощью повторных съемок и нивелирований.

2. Мареографические измерения (уровень моря). Они должны выявлять возможные изменения уровня моря в пунктах регистрации.

3. Непрерывные измерения деформаций наклономерами и деформометрами. Основная цель работ — выяснить связь между процессом накопления деформаций и возникновением землетрясений. Предполагается выявить специфические изменения за несколько часов и суток до сильного толчка на расстоянии в несколько десятков километров от эпицентра.

4. Исследования сейсмичности. Благодаря огромному количеству микротолчков их анализ, быть может, позволит за сравнительно короткий срок установить характер сейсмичности в данном районе.

5. Определение скорости сейсмических волн методами разведочной сейсмологии. Перед сильным толчком, как известно, скорость волн может изменяться, и это необходимо учитывать.

6. Исследования активных разломов. Катастрофические землетрясения часто сопровождаются разломообразованием на поверхности, поэтому, изучая характер и расположение активных разломов начиная с неогена, мы можем судить о сейсмоактивности рассматриваемой территории в прошлом.

7. Измерение геомагнитного поля и теллурических токов. Неоднократно отмечались изменения геомагнитного поля в эпицентральной зоне сильного землетрясения, а также резкие изменения теллурических токов и магнитного поля перед сильным землетрясением и изменения электрического сопротивления пород.

Однако наличие данных еще не доказательство. И цель планируемых работ состоит в проверке этих предвестников.

Изучением предвестников сильных землетрясений занимаются исследователи и многих других стран. По мнению большинства сейсмологов, для решения проблемы долгосрочного прогноза необходимо не только получить ответ на все пункты указанной программы, но и:

а) исследовать поведение земных пород при предельных давлениях и температурах в лабораторных условиях;

б) изучить миграцию очагов землетрясений (нередко наблюдающиеся случаи перемещения очагов в одном направлении); в) найти методы обнаружения большой концентрации энергии в одном месте; г) выявить закономерности изменения скорости звука в породе при изменении напряжений в ней; д) исследовать изменения локальных магнитных полей; е) обратить внимание на изменения уровней воды в колодцах и скважинах; ж) изучить роль упругих приливов, обусловленных Луной и Солнцем; з) провести анализ тектонических движений за большие промежутки времени; и) заняться изучением пьезомагнитного эффекта; к) вести систематические наблюдения за изменением химического состава воды в глубинных источниках и т. д.

Приведенный перечень далеко не охватывает всех направлений, по которым должны идти научные исследования с целью прогноза землетрясений. Следует указать на большую работу, проделанную в этом направлении чл. — кор. АН СССР С. А. Федотовым. Он исходил из предположения повторяемости циклов сейсмической активности в конкретном районе земного шара (в данном случае имеется в виду Курило-Камчатская зона). Зная период цикла и стадию изменения сейсмичности, можно приблизительно прогнозировать время активного состояния, в которое могут возникнуть наиболее сильные толчки.

Интересный пример предсказания двух сильных землетрясений приводит Э. Робертс: «Японский сейсмолог Омори, анализируя периодичность прошлых землетрясений, пытался установить закон, который позволил бы предсказывать новые удары. К сожалению, такого закона он не вывел, но зато удивительно точно предсказал район и время будущих землетрясений. Изучив историю землетрясений в Тихоокеанском районе, которые явились причиной катастрофы в Сан-Франциско (1906 г.), Омори высказал свои соображения. В апреле он объявил, что, по его мнению, вскоре произойдут два сильных землетрясения: одно — в северной части Тихоокеанского пояса, другое — в Южной Америке, в районе Перу и Чили. В августе того же года сильные землетрясения действительно произошли в названных Омори районах» Мало того, произошли они в один и тот же день!»[17] Несомненно, это следует рассматривать не более как случайное счастливое совпадение.

Как пишет X. Кавасуми, он значительное время занимался изучением наклонов земной коры, в частности, на Кии и Мурото, а также на других полуостровах, выдающихся на юг в Тихий океан. Обнаружено, что в большинстве случаев наблюдаются систематические наклоны грунта в одном направлении. Из этого X. Кавасуми делает следующий вывод: «…центр сейсмической активности Тихоокеанского пояса в японском секторе, по-видимому, последовательно перемещается вдоль побережья на юго-запад. После катастрофического землетрясения Нанкайдо (1854 г.) сейсмоактивность проявлялась в 1894 г» в прибрежной зоне океана у Немуро и Кусиро (на о-ве Хоккайдо) и затем перемещалась на юго-запад, ознаменовавшись землетрясениями в районах Санрику (1896 г.), Канто (1923 г.), Тонанкай (1944 г.), каждое из которых сопровождалось катастрофическими цунами. Из этих фактов, а также аналогичных событий в прошлом следует, что новый центр активности опять будет в районе Нанкайдо. В октябре 1946 г. я представил в Японскую академию наук статью на эту тему.

Представление, что систематические наклоны на полуостровах, сложенных третичными осадками, являются предвестниками предстоящих разрушительных землетрясений в прилегающей прибрежной зоне океана, было подтверждено землетрясением 1944 г. в районе Тонанкай, а также недавним землетрясением в Нанкайдо»[18]. (Между прочим, ожидаемое землетрясение пока еще не произошло.)

Несколько иначе обстоит дело с краткосрочными прогнозами. К ним, очевидно, следует относить приблизительное предсказание места и времени возможного возникновения землетрясения за несколько часов, дней, недель или месяцев. В этом отношении уже есть кое-какие обнадеживающие результаты. Правда, касаются они только отдельных районов земного шара с довольно постоянным тектоническим «поведением» земной коры. В качестве примера можно привести широко известный район земного шара — разлом Сан-Андреас (Калифорния, США). Его два крыла с достойным удивления постоянством смещаются относительно друг друга. Точнее, огромная область западного разлома смещается в северном направлении со скоростью приблизительно 5 см в год. С целью предупреждения катастрофического землетрясения, подобного Калифорнийскому (Сан-Францисскому, 1906 г.), американскими учеными предложен метод «спускания землетрясения на тормозах». Суть его заключается в следующем: когда в результате смещения участка земной коры напряжение в конкретном исследуемом месте по теоретическим расчетам достигает опасной величины, в месте предполагаемого разрушения земных пород бурятся глубокие скважины. В скважины под большим давлением нагнетается вода. Проникая в мелкие трещины, образующиеся в земной коре перед крупным разрушением или при форшоках, вода, расширяя эти трещины, вызывает очень мелкие землетрясения — микроземлетрясения. И вода, и микроземлетрясения в данном случае играют как бы роль смазки от крупного толчка, который не сможет произойти из-за недостатка скопления энергии в одном месте. Энергия расходуется постепенно на серию мелких толчков, напряжение ослабляется, и катастрофы не происходит.

Как видим, в этом случае люди не только рассчитывают, когда приблизительно произойдет землетрясение, но и противодействуют его стихийному проявлению.

Другой пример краткосрочного предсказания. Известно, что в отдельных районах земного шара в подземных водах изменяется концентрация растворимых инертных газов (гелия, радона и др.) во время изменения активности сейсмических процессов. Этот факт свидетельствует о приближении сильного толчка и может быть использован как предвестник для предсказания скорого землетрясения. Такой метод исследуется в Институте сейсмологии Академии наук Узбекской ССР. В частности, наблюдения за изменениями химического и газового состава подземных вод Приташкентского бассейна показали, что задолго до Ташкентского землетрясения содержание гелия и радона в термоминеральной воде стало заметно увеличиваться. К середине 1965 г. оно возросло почти вдвое, по в октябре 1965 г. наступила стабилизация, затем резкий спад перед 26 апреля 1966 г., когда в Ташкенте произошло 8-балльное землетрясение.

Сразу же после толчка концентрация радона и других инертных газов резко упала. Когда результаты первых лет наблюдений были систематизированы, открылись важные количественные закономерности. Оказалось, что В период, предшествующий сильным подземным толчкам, концентрация гелия в подземных водах увеличивается в 10–12 раз, радона — в 3–4 раза. Растут концентрации и других газов, например аргона и фтора. Изменяется соотношение содержания изотопов и других элементов.

Найденные закономерности подтвердились при изучении сильного землетрясения, которое произошло 14 мая 1970 г. в Дагестане. Сбой ритма «гелиевого дыхания» планеты удалось наблюдать и в других сейсмоактивных районах.

На основе гелий-радонового метода сделаны первые успешные предсказания землетрясений. Например, о подземной стихии в районе оз. Иссык-Куль ташкентские ученые узнали за три месяца до толчка. Сейчас они предсказывают две трети землетрясений, происходящих в Средней Азии. Узнают о приближающейся катастрофе как минимум за день до первых толчков.

К сожалению, оба приведенных примера нельзя распространить на сейсмические зоны всего земного шара, так как каждый район имеет свои особенности, а указанные причины присущи только конкретным районам.

Что касается краткосрочного прогноза цунами, то здесь нужно хорошо знать следующее: а) точное место (координаты эпицентра) происшедшего землетрясения; б) механизм очага землетрясения; в) высоту волны в рчаге цунами; г) время пробега волны до каждого конкретного пункта побережья; д) величину возможной высоты волны на интересующем нас участке побережья; е) дальность заплеска волны в глубь суши; ж) динамические усилия подошедшего цунами на береговые сооружения.

Каждый из перечисленных пунктов представляет собой, по существу, самостоятельную большую или малую задачу. При этом приходится констатировать, что далеко не на каждую из них в настоящее время сейсмологи могут дать исчерпывающий ответ. К более пли менее уверенно решенным можно отнести задачи пунктов а) и г)? д) и е) относятся к разряду тех, которые могут решаться несколькими путями, например: 1) путем сбора сведений о затоплении прибрежной полосы суши возникшей и пришедшей волной цунами и на основе статистического материала определением примерной границы затопления и высоты заплеска на интересующем нас участке; 2) изучением показаний приборов, расположенных в разных точках участка; 3) проведением натурных наблюдений на уменьшенной модели участка в лабораторных условиях с последующим использованием полученных результатов на действительном участке побережья; 4) исследованием на электронной модели бухты или участка мнимого затопления путем введения и изменения необходимых параметров рельефа местности и конфигурации участка прибрежной полосы в работающую модель.

Все указанные методы в настоящее время применяются на практике.

Задачи пунктов б) и в) наиболее сложные и очень важные. Можно, видимо, говорить об их взаимосвязи (точнее, о зависимости величины возвышения воды в очаге цунами от механизма очага землетрясения), так как вероятнее всего высота цунами в очаге обусловливается именно механизмом очага землетрясения. Действительно, если бы мы точно знали, каков механизм очага землетрясения, вызывающего цунами, то, по-видимому, смогли бы теоретически вычислить и высоту волны, возбуждаемую в очаге.

Решение задачи, указанной в пункте ж), жизненно необходимо для проектных расчетов тех сооружений, которые в силу специфики их эксплуатации никак нельзя относить от береговой черты.

Как видно из сказанного, краткосрочный прогноз цунами — и нерешенная и решенная задача: нерешенная — в полном объеме и требующая к себе еще значительного внимания, больших экономических затрат и немалых дополнительных исследований; решенная — в своей главной части (спасение жизни людей).

В настоящее время краткосрочный прогноз цунами сводится практически к предсказанию на базе сейсмических данных возможного возникновения, прихода и появления волн на берегу при условии, если эпицентр землетрясения попадает в цунамигенную зону[19], а энергия толчка достаточно велика, по крайней мере М>6,5. Используя же разность во времени между скоростью распространения сейсмических волн и волн цунами (в 50— 100 раз), можно вычислить время прихода цунами к тому или иному пункту побережья.

Таким образом, предполагая факт возникновения цунами свершившимся и зная время прихода волны к побережью, жители цунамиопасных районов Тихоокеанского побережья Дальневосточной зоны (восточного побережья Камчатки, Курильских и Командорских островов) заблаговременно предупреждаются о грозящей им опасности.

К сожалению, оправдываемость тревог на основе только этого метода недостаточно высока. Поэтому необходимо искать еще и другие методы предсказания цунами, а также эффективные и действенные меры защиты от него.

Одной из наиболее существенных и действенных мер защиты от цунами является проведение цунамирайонирования береговых территорий и перенесения всех зданий И сооружений из затопляемой зоны. Для этого наряду с проведением теоретических расчетов и научных исследований на основе вероятностного прогноза цунами и зависимости величины заплеска от интенсивности волн, для более правильного и уверенного решения вопроса необходимо широким фронтом провести упомянутое выше экспериментальное моделирование затопляемости берегов особенно опасных районов и по возможности наиболее точно установить границу их затопления.

Кроме того, в силу недостаточно высокой оправдываемости тревог, подаваемых только на базе сейсмических данных, в последнее время параллельно с этим решается вопрос о разработке и введении других, дополнительных методов краткосрочного прогноза цунами (в частности, например, гидрофизического метода, основанного на непрерывных дистанционных наблюдениях с использованием мареографов открытого моря). В этом случае, если волна цунами обнаружена на достаточном удалении от побережья, то с помощью электро- или радиосигнала от мареографа на берегу заблаговременно будет известно о существовании и движении волны. Это даст возможность принять все необходимые меры для спасения людей и некоторых материальных ценностей.

Одновременно, конечно, совершенствуется и сейсмический метод. Принимаются меры к поискам и введению в его методику дополнительных критериев цунамиопасности землетрясений и уточнению существующих, а также к расширению и автоматизации наблюдений на сейсмических станциях.

Но основным методом защиты, по крайней мере для населения, от цунами пока еще приходится считать наиболее пассивный, к счастью, наиболее надежный — метод заблаговременной эвакуации населения на возвышенные места, которые заранее известны жителям каждого населенного пункта цунамиопасных районов.