Знание-сила, 2009 № 02 (980)

Куда упадет тень Сейсмоса?

Александр Зайцев

Землетрясение — одно из крупнейших стихийных бедствий. Человек бессилен перед ним. Между тем уже сейчас в сейсмически опасных регионах проживают около трех миллиардов жителей нашей планеты. Однако мы по-прежнему не можем предсказать, когда произойдет очередная катастрофа, хотя и готовы очертить место, где она состоится.

Ежегодно в среднем около 10 тысяч человек гибнут от последствий землетрясений — больше, чем от любой другой стихии. На фоне этого усредненного показателя еще страшнее выглядят отдельные события: землетрясения в Сычуани (май 2008 года; 70 тысяч погибших), в Кашмире (октябрь 2005 года; 87 тысяч погибших), в иранском Баме (декабрь 2003 года; более 30 тысяч погибших). А почти четверть миллиона жертв цунами в декабре 2004 года! Ведь и тогда все началось с мощного подземного толчка.

Особенно огорчает, что замысел стихии всякий раз все-таки обнаруживает себя незадолго до катастрофы. Если бы люди поняли эти знаки готовящегося удара и вовремя выбежали из домов, то число погибших, несомненно, сократилось бы в несколько раз. Однако обычно подземные толчки оказываются нежданными. Их замечают по тому, что начинают раскачиваться и рушиться стены и потолки, погребая всех находящихся в помещении. А ведь у тех могло быть в запасе несколько минут, а то часов или дней, чтобы спастись от сейсмической волны, как у туристов на пляже — от громадной волны, показавшейся на горизонте.

Для этого нужно всего ничего — научиться предсказывать землетрясения. Ведь сейсмический удар возникает не в метре от поверхности Земли. Распространяясь, волна выдает себя. Прежде чем она достигнет цели (здания, города), ее можно заметить и предупредить тех, кому она угрожает. Так видят змею в траве. Если бы так замечали тень крадущегося Сейсмоса!

Некоторые эксперты в отчаянии принимаются отстаивать мысль, что землетрясение предсказать в принципе невозможно! Оно — результат хаотических процессов, протекающих в недрах Земли. Другие более оптимистичны и, как, допустим, и полвека назад, по-прежнему повторяют, что мы скоро научимся прогнозировать землетрясения.

Тогда, в начале 1960-х годов, в науке окончательно утвердилась гипотеза Альфреда Вегенера о глобальной тектонике плит. Именно она дала ключ к пониманию природы землетрясений. Земная кора, подобно мозаичной картине, сложена из отдельных — больших и малых — литосферных плит, которые, как на транспортере, движутся на вязкой, раскаленной магме, перемещаясь в разных направлениях на несколько сантиметров в год. Сплошь и рядом одна плита напирает на другую, цепляется за соседку, дергает ее. Эта встряска и ощущается в виде гибельных подземных ударов. Мы, путешествуя на планете Земля, словно едем в машине, где нет и в помине амортизаторов, и при каж дом сильном толчке крыша может сложиться гармошкой.

Итак, сумбурные передвижения плит становятся основным источником сейсмической опасности. Там, где одна плита наталкивается на другую, и происходят обычно землетрясения. Именно в зоне соприкосновения плит накапливаются сильные напряжения — потом они моментально разряжаются, следует подземный толчок. Вечный ритм, в котором затишье перемежается хлесткими ударами. И чем оно дольше длится, тем вероятнее будет очередной подземный удар. Ученые без труда назовут сотни городов, которым могут угрожать землетрясения. Но когда они произойдут?

Вскоре после того как гипотеза Вегенера утвердилась на правах канонической теории, геолог Уильям Брас из Массачусетсского технологического института сделал важное открытие. Лабораторные эксперименты, проделанные им, показали, что физические свойства горных пород незадолго перед разрушением меняются. Еще когда величина напряжения достигает примерно половины предела прочности, в материале появляются трещины. Они постепенно разрастаются, и это влияет на величину электрического сопротивления породы или характерную скорость распространения в ней звука. А эти параметры уже можно измерять на расстоянии, следя за тем, как вот-вот готова будет разразиться ударом подземная стихия. Казалось, теперь-то уж ученым будет по силам предсказывать землетрясения.

Землетрясение в Сычуани, май 2008 года

Семидесятые годы стали временем эйфории. Один исследователь за другим обещали, что проблема предсказания землетрясений будет решена в ближайшие десятилетия. Ведь благодаря новым чувствительным приборам мы научимся замечать, когда напряжение в недрах достигнет критической величины. Дело останется за малым: сообщить, что скоро «спящий проснется». Ждите первый удар его пробужденья!

Но к каким сигналам прислушаться? Список феноменов, предвещавших разгул подземной стихии, стал разрастаться, как оставленные ей руины. В него в разное время включали характерную картину микросейсмической активности, предшествующей основному удару, крохотные деформации подземных пород, повышенное выделение газа радона, локальные изменения магнитного поля Земли и напряженности электрического поля, колебания уровня грунтовых вод, таинственное свечение, исходящее от гор и холмов, температурные аномалии в зоне грядущего бедствия.

Даже животные стали считаться индикаторами тревоги, ведь они гораздо чувствительнее к сигналам, доходящим из недр Земли, нежели человек.

День 4 февраля 1975 года, казалось, стал триумфом предсказательной сейсмологии. Власти КНР сообщили, что благодаря своевременной эвакуации удалось спасти жителей города Хайчен, едва не ставших жертвами разрушительного землетрясения (магнитуда 7,3). Своевременный прогноз позволило сделать поведение животных. Их охватило странное беспокойство (см. «З-С», 11/03). Впрочем, двадцать лет спустя сейсмолог Синна Ломниц из университета Мехико на страницах своей книги «Fundamentals of Earthquake Prediction» назвал рассказ о «поразительном прогнозе китайских ученых» пропагандистским трюком. По его словам, жители стали покидать дома потому, что их напугал сильный подземный толчок. Так что причины благодарить родную партию и лично товарища Мао Цзэдуна не было.

Что ж, Китай в то время оставался очень закрытой страной, как в наши дни КНДР. Из-за великой стены китайского социализма до остального мира долетали лишь хорошие новости. В любом случае год спустя обнаружилось, что даже знатоки китайских недр не могут провидеть будущее. В 150 километрах к югу от Пекина, в Таншане, произошло землетрясение, имевшее магнитуду 7,8, к которому никто не был готов. По официальным данным, погибли около четверти миллиона человек, а по неофициальным — до 600 тысяч человек. Недавнее бедствие в провинции Сычуань лишний раз показало, что удары стихии пока не поддаются прогнозу.

Проблема в том, что большинство сигналов, трактуемых как предвестия сейсмической катастрофы, достаточно неопределенно предсказывают, произойдет ли она или нет. Все эти феномены можно объяснить совсем иными причинами. Взять древних, как мир, глашатаев воли природы — животных. Конечно, некоторые кошки или куры проявляют странное беспокойство перед надвигающейся катастрофой. Но кто считал, сколько тех же «братьев наших меньших» не чувствуют ничего, что напоминало бы о скорой беде. Возможно, они, как и люди, реагируют на наиболее грубый сигнал, доносящийся до них из недр земли, — на слабые подземные толчки, предшествующие главному удару, полагает Сьюзен Хоуг из Геологической службы США.

В последние десятилетия западные ученые все реже решались предсказывать сейсмические катастрофы. Один из немногих, кто отважился сделать это — немецкий специалист Йохен Цшау. В начале 1990-х годов он обратил внимание на то, что за несколько дней и особенно часов до начала мощного землетрясения в этом районе фиксируется повышенная сейсмическая активность — происходит серия микроземлетрясений. Однако и этот метод не оправдал ожиданий.

Еще в семидесятые годы в США, в окрестности разлома Сан-Андреас, который угрожает такому крупному городу, как Сан-Франциско, была развернута дорогостоящая сеть наблюдательных станций. Они фиксировали все, что только можно было: любую активность земных недр, малейшие изменения их важнейших характеристик. Это позволило в 1988 году загодя предсказать начало очередного буйства стихии. Меры были приняты, но ничего не произошло. Земля нанесла удар много позже — 28 сентября 2004 года (магнитуда равнялась 6,0). На этот раз ни один прибор не отметил странных сигналов. Американские геологи, участвовавшие в этой работе, поделились печальным опытом: «Пока что надежное предсказание землетрясений невозможно».

Зато ученые приветствуют другого рода прогнозы. Все чаще можно слышать о том, что с вероятностью в «столько-то процентов» в ближайшие «*** лет» в этом районе или городе произойдет землетрясение. Например, «в районе разлома Сан-Андреас, который протянулся в Калифорнии от Сан-Франциско до Лос-Анджелеса, в течение 30 лет с вероятностью 27 процентов случится землетрясение с магнитудой 7,0 или выше» (сайт www.elementy.ru). Подобные прогнозы вполне корректны. Исследователи научились довольно хорошо оценивать напряжения, возникающие в недрах Земли. Здесь действует «железное правило»: если в данном регионе произошло землетрясение, то увеличивается опасность подземного удара в соседних районах, поскольку там, в недрах Земли, неизбежно нарастает напряжение.

Так, Джон Макклоски из Ульстерского университета в декабре 2004 года, сразу после цунами, предостерег об еще одном мощном подземном толчке. Всего через одиннадцать дней в этом регионе действительно произошло землетрясение, имеющее магнитуду 8,7. В Турции очаги землетрясений вот уже несколько десятилетий так кучно ложатся вдоль одной линии — вдоль Североанатолийского разлома, приближаясь к Стамбулу, словно кто-то стреляет по карте страны очередью из автомата.

Однако, даже если мы будем знать, с какой вероятностью в том или ином крупном городе произойдет бедствие, не сумеем вовремя спасти человеческие жизни. Ведь в том же Стамбуле еще девять лет назад, после мощного землетрясения в Измире, можно было бы начать эвакуацию жителей. И что ж? Все спасенные жили бы десятый год в лагерях беженцев? Остается лишь готовиться к удару стихии: укреплять здания, продумывать способы спасения пострадавших, обновлять городскую инфраструктуру. Но вестник Сейсмоса вновь постучится нежданно.

Многие ученые считают профилактические меры единственным, что мы можем сделать для жителей сейсмически опасных районов, поскольку в создание надежной службы прогнозов землетрясений теперь мало кто верит. Пока же в различных странах мира составляются карты сейсмической угрозы, на которых учитываются характер грунта, плотность населения, особенности застройки, даже прочность отдельных сооружений, например, больниц и мостов.

Если же заходит речь о точных сроках, исследователи лишь разводят руками. Опыт показывает: чем точнее они пытаются называть даты, тем выше вероятность ошибки. В 2003 году известный российский ученый, академик РАН Владимир Кейлис-Борок, сообщил, что в следующем году, 2004-м, между 5 января и 5 сентября, в Центральной Калифорнии произойдет землетрясение, имеющее магнитуду 6,4. Его прогноз опирался на анализ микроземлетрясений в этом регионе. Основываясь на данном методе, он и его коллеги удачно предсказали, например, землетрясения в Центральной Калифорнии в декабре 2003 года и Северной Японии в сентябре 2003 года и с некоторыми оговорками — землетрясения на границе Словении и Австрии в июле 2004 года, и серию подземных толчков в Японии в сентябре-октябре 2004 года (первые удачные прогнозы были сделаны группой Кейлис-Борока, созданной в Институте физики Земли, еще за четверть века до этого. — Прим. ред.). Однако в данном случае в указанные месяцы наблюдалось затишье.

Кстати, в апреле 2005 года, всего через три месяца после разрушительного цунами, Петр Шебалин, ученый секретарь Международного института теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН, наглядно показал, что с помощью той самой методики среднесрочного прогнозирования, которую создал патриарх отечественной сейсмологии Владимир Кейлис-Борок, можно было бы предсказать и землетрясение у берегов Суматры, породившее цунами. «Пока еще рано делать окончательные выводы относительно этой методики, нужны дополнительные ее подтверждения. Но один вывод можно сделать уже сейчас. Очевидно, что грядет серьезный прорыв в решении проблемы прогноза землетрясений». Возможно, «цепочечный» метод, который разработали Кейлис-Борок и Шебалин, и верно, является наиболее перспективным. При этом ведется анализ так называемой фоновой сейсмичности и выделяются цепочки землетрясений, расстояние между эпицентрами которых составляет 30–50 километров. Впрочем, бывает и так, что логика этих событий нарушается, как то произошло в Калифорнии в 2004 году, и никакого «заключительного аккорда» не следует.

В любом случае интерес к прогнозу землетрясений после 2004 года заметно оживился. Пословица гласит: «Обжегшись на молоке, дуют на воду». Летом 2005 года сразу несколько авторитетных научных журналов предсказали скорые катастрофы. Так, 9 июня сейсмолог Керри Си из Калифорнийского технологического института сообщил в журнале Nature о новых цунами у берегов Южной Азии. Две недели спустя Роландо Армижо из Тектонической лаборатории в Париже предсказал скорое разрушительное землетрясение в Стамбуле. Наконец, 15 июля геофизик Хироси Сато сообщил в Science, что под Токио, на глубине нескольких километров, обнаружен опасный разлом коры, из-за которого в любой момент может произойти крупное землетрясение.

Выступая с подобными предсказаниями, ученые подчас идут на прямое нарушение закона. Так, в США публичный прогноз землетрясения может караться тюремным сроком до трех месяцев. Конечно, это наказание предусмотрено прежде всего для всевозможных шарлатанов, которые регулярно пытаются запугивать людей рассказами о грядущих бедствиях. Они могут якобы предвидеть землетрясения, например, по положению звезд на небе; им говорят об этом какие-то таинственные голоса. Да мало ли что может почудиться витиям, выходящим «в астрал»?

Ученым же остается лишь мечтать о надежных прогнозах, «и эти мечты остаются движителем науки о землетрясениях», признается Йохен Цшау. Геофизики из США, Японии, России, ЕС разрабатывают все новые методы прогнозирования землетрясений, но с прежним успехом. Поистине, величайшим в мире геологом станет тот, кто научится точно предсказывать подобные катастрофы. Его имя войдет во все учебники.

Немалые надежды возлагаются на новейшие измерительные приборы: высокоточные лазеры, измеряющие расстояния; систему спутниковой навигации, готовую фиксировать любые смещения на поверхности Земли; спутниковые радиолокационные интерферометры, которые заметят, что обширный участок литосферы пришел в движение. Сеть сейсмических станций постоянно расширяется и охватывает уже всю планету; регистрируются мельчайшие вибрации земной коры. Франция запустила в космос специальный научно-исследовательский спутник «Деметра», чтобы отмечать электромагнитные возмущения в ионосфере, которые могут предшествовать подземному удару. С той же целью наша страна в мае 2006 года вывела на околоземную орбиту спутник «Компас-2».

Сейсмологи пытаются учитывать любые возможные предвестия землетрясений: ведь опыт показывает, что полагаться на какой-либо один параметр ненадежно. Прогноз тем более вероятен, чем больше природных феноменов его подтверждают. Кроме того, ученые убеждаются, что в различных районах планеты признаки нарастания сейсмической активности разнятся. Ведь и литосферные плиты ведут себя по-иному на всех широтах и меридианах. Так, в Японии одна плита «подныривает» под другую — здесь зона субдукции, а в той же Калифорнии две плиты движутся параллельно друг другу, соприкасаясь при этом. Можно предположить, что сейсмическую активность в обоих регионах будут сопровождать разные феномены. Сильные и слабые землетрясения могут подчиняться различным закономерностям. Например, если магнитуда землетрясения будет равна семи, то, может быть, бесполезно ожидать тех же предвестий, что и в канун землетрясения, чья магнитуда равна пяти?

В последние годы предлагаются все новые методы прогнозирования сейсмической активности. Пока на этом пути есть и многочисленные неудачи, и некоторые успехи. Но об этом — отдельный разговор.

* * *

Алгоритм, разработанный Владимиром Кособоковым и его коллегами из московского Международного института математической геофизики, предсказывает, что в течение ближайших 10 лет должно произойти мегаземлетрясение силой более 9 баллов. Признаками приближения такого толчка является заметный рост числа глубинных землетрясений и повторение недавних толчков силой 8 и более баллов. По утверждению авторов, такой сценарий уже имел место в 1952–1964 годах и назревает сейчас. Наиболее вероятные места супертолчка, как считает Кособоков, это западное побережье США и Канады, Чили, Центральная Америка, Гималаи и остров Суматра в Индонезии.

Горячая новость: Америка до сих пор не утонула!

Михаил Георгиади

Мы изучили недра Земли хуже, чем поверхность Марса или Луны. В считанных десятках километров под нашими ногами простираются сплошные белые пятна. Конечно, основной закон геофизики нам известен давно: более плотные участки земной коры, плавая в слое верхней мантии — астеносфере, глубже погружаются в нее, чем менее плотные, подобно тому, как громадные военные корабли глубже оседают в волнах, чем рыбачьи фелюги. Это не что иное, как закон Архимеда, примененный к земной коре. Определенную роль в этом гидростатически равновесном состоянии играет и температура ее нижних слоев. Чем сильнее они разогреты, тем выше континент вздымается над уровнем моря. Однако до сих пор этот показатель почти не использовался для описания рельефа различных районов планеты.

Обычно геофизики, объясняя топографию континентов, учитывают лишь, как движутся литосферные плиты и из каких пород они сложены. Соответственно чем массивнее «подземная часть» континента, тем выше на его поверхности вздымаются горы. Измерения, проводившиеся в Альпах, подтвердили это. «Корни» Альпийских гор уходят в глубь земли в два раза дальше, чем остов других частей Европы.

Но есть немало примеров, которые не укладываются в эту простую схему. Скажем, плато Колорадо в США (его высота достигает 1800 метров) и Великие равнины, простирающиеся к востоку от Скалистых гор, сложены из одних и тех пород, но перепад высот между ними составляет около полутора тысяч метров.

Тем любопытнее работа, которую опубликовали Деррик Хэстерок и Дэвид Чепмен из Университета штата Юта на страницах Journal of Geophysical Research. Ее название — «Континентальная термальная изостазия. Часть первая: методы и чувствительность». Как правило, научная статья под таким заголовком не избалована вниманием широкой публики. И даже среди геологов немногие зачитываются такого рода теоретическими рассуждениями. Поэтому, чтобы пробудить интерес к своей работе, Чепмен и Хэстерок нашли любопытный ход. Они сопроводили сугубо научный материал увлекательным приложением под заголовком «Часть вторая: применительно к Северной Америке», где живописали картину далекого будущего. Так эта тема стала звучать намного увлекательнее.

Как оказалось, земная кора — оболочка планеты — под Северной Америкой разогрета сильнее, чем ожидали. В принципе недра Земли напоминают… очень вязкую кашу, которая варится на громадном котле. Тепло, притекающее из глубины планеты, а также выделяющееся при распаде радиоактивных элементов, не дает этому «котлу» погаснуть. Благодаря конвекционным потокам его содержимое постоянно, хоть и очень медленно, перемешивается. Этот перенос тепла из недр Земли к поверхности — основной мотор тектоники плит; кроме того, данный процесс еще и определяет облик континентов.

Ученых особенно поразило, что картина температурных перепадов в недрах Северной Америки точно соответствует рельефу материка. Чем сильнее разогреты породы (прежде всего за счет распада радиоактивных элементов), тем выше рельеф в данной части Америки. Так, под Колорадо температура недр на глубине 30 километров составляет около 650 градусов Цельсия, в то время как под Великими равнинами — 500 градусов Цельсия. Поэтому плотность пород, слагающих земную кору под Колорадским плато, заметно ниже, «и она, подобно пробке, всплывает», образно поясняет Хэстерок. Слои земной коры вспучились, образовав на поверхности плоскогорье. «А вот на севере Канады ничего похожего не наблюдается. Возраст земной коры там составляет три миллиарда лет, и потому она давно остыла».

«В принципе, — как подчеркивает Хэстерок, — геологи еще несколько десятилетий назад, изучая процессы, протекающие на дне океанов, осознали, что температура верхних слоев мантии и нижней части земной коры играет важную роль в тектонике». Для литосферных плит, слагающих дно океанов, данный эффект хорошо известен. Ведь по дну тянутся срединноокеанические хребты, достигающие высоты 3000 метров. Однако, если обратиться к традиционной схеме тектонических процессов, подобный рельеф никак не мог возникнуть, поскольку при движении плит земная кора растягивается и горы могут образоваться лишь там, где две плиты сталкиваются друг с другом. Так что, ученым пришлось искать другое объяснение. И они нашли его, обратив внимание на то, что в районе подводных хребтов к поверхности земли поднимаются потоки раскаленной магмы, создавая новые участки земной коры. Их плотность мала; они вспучиваются, образуя подводные горы.

Однако геология континентов гораздо сложнее, и до сих пор ученые, повторимся, почти не принимали во внимание температурные эффекты, анализируя особенности рельефа. Между тем — начнем с ответа, что дается в конце статьи, — «если бы не влияние температуры, то большая часть Северной Америки скрылась бы под водой», отмечает Хэстерок. Например, Атланта находилась бы на глубине 430 метров, Чикаго — почти в семистах метрах ниже уровня моря, а Лас-Вегас опустился бы даже на глубину 1300 метров. Лишь Скалистые горы, Сьерра-Невада и Каскадные горы на северо-западном побережье США островками выглядывали бы над поверхностью океана.

Впрочем, этот мрачный сценарий с «утоплением» целого континента под водой (утопия, одним словом) не отвлекает внимания специалистов от серьезной работы, проделанной американскими геологами. Исследовать земные недра им помогли ударные волны, возникающие при взрывах и землетрясениях. Их скорость распространения меняется в зависимости от того, какие слои они проходят. Чем холоднее толща пород, тем быстрее ее пересекают волны. Эти показатели ученые сопоставили с известными характеристиками горных пород и данными о температуре, полученными при бурении очень глубоких скважин. Так выяснилось, что недра Северной Америки разогреты сильнее обычного.

В своей работе Чепмен и Хэстерок поделили США на «тектонические провинции», то есть районы, лежащие на слоях породы одинаковой толщины и одного и того же состава. «Это позволило исключить влияние этих характеристик земной коры из наших расчетов и оценить, как влияет температура нижележащих слоев породы на высоту той или иной местности», — подчеркивает Чепмен. Очевидно, плавучая сила, удерживающая континенты, лишь на 50 процентов обусловлена составом пород, слагающих земную кору, и на 50 процентов — температурой, к такому выводу пришли ученые.

Дело осталось за малым — заглядываем снова в ответ, — за прогнозом, что научнее любых катренов Нострадамуса. Чепмен и Хэстерок обратились к справочным данным — положению крупнейших городов Америки над уровнем моря — и вычли из этих цифр влияние температуры, предположив, что всюду под Северной Америкой земная кора остыла точно так же, как и на севере Канады. Сразу же географическая карта этой части мира стала выглядеть совершенно иначе. На месте третьего по величине континента Земли отныне пролегала лишь узкая полоска суши, покрытая горами, и несколько небольших островов, омываемых водами Тихого и Атлантического океанов. Где-то на дне — тайной двух океанов — упокоились Новый Йорк (434 метра ниже уровня моря) и Новый Орлеан (- 730 метров), Бостон (- 555 метров) и Лос-Анджелес (- 1145 метров), или что там от них осталось.

Но как хорошо, что Америка до сих пор не утонула! Эта обетованная земля, воспарившая на гребне незримого огня…

Если же без шуток, то геологи из Юты сделали важный шаг на пути к созданию целостной картины динамических процессов, протекающих в недрах нашей планеты. Можно лишь сожалеть, что результаты, полученные ими для Северной Америки, невозможно применить к другим континентам, ведь геология каждого из них уникальна, и всякий раз ученым придется заново описывать процессы, происходящие в недрах Земли, и измерять температуру слоев, лежащих на границе мантии и земной коры.

На северо-западном побережье США, где под континентальную Североамериканскую плиту «подныривает» плита Хуан-де-Фука, последняя давно мешает притоку тепла из недр к поверхности Земли, а потому земная кора здесь очень охлаждена. Так что эта часть США непременно поднимется над уровнем моря, когда температура недр на всей территории страны выровняется. Если сейчас Сиэтл лежит на уровне моря, то после мысленного эксперимента, который проделали над ним Чепмен и Хэстерок, он оказался в горах — на высоте 1800 метров. С чем его и поздравляем!