Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Землетрясение: успеть спастись

Кандидат физико-математических наук Константин Кислов, кандидат физико-математических наук Валентин Гравиров, Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН

Землетрясение — наиболее разрушительное природное явление. Благодаря лучшему пониманию физики этого процесса, применению современных вычислительных средств, развитию сейсмометрии и использованию глобальных систем спутниковой навигации сейчас удаётся формировать научно обоснованные прогнозы крупных событий. Тем не менее процессы подготовки и генерации землетрясения чрезвычайно сложны, и любой прогноз даётся с определённой вероятностью. Поэтому неожиданные землетрясения происходят — и неизбежно будут происходить. Однако снизить катастрофические последствия может помочь раннее предупреждение.

EEWS барьерного типа для защиты города Мехико. Показаны сильнейшие землетрясения с 2002 по 2018 год. Если землетрясение происходит близко к побережью, где часто бывают сильные события, то время предупреждения составляет от 30 до 70 с. Однако землетрясение, произошедшее 19 сентября 2017 года в штате Пуэбла, магнитудой 7,1 оказалось ближе к Мехико, чем к линии сейсмометров, и предупреждение опоздало. Рисунок авторов.
В очаге землетрясения рождаются сейсмические волны (сейсмограмма внизу рисунка). Когда первичная P-волна детектируется ближайшим к эпицентру сейсмометром, определяются магнитуда, положение гипоцентра землетрясения и время его начала. Разрушительная S-волна придёт к сейсмостанции через некоторое время. Если сейсмометр находится на самом объекте, то только время до прихода S-волны доступно для принятия мер. Чем дальше объект от эпицентра, тем больше время предупреждения. Рисунок авторов.
Меры, которые могут быть приняты за несколько секунд (курсивом отмечены действия, которые уже предпринимают в ответ на предупреждение).
Для раннего предупреждения на Игналинской АЭС планировалось создать семь сейсмостанций: одну на объекте и шесть вокруг, на расстоянии около 30 км. Если бы землетрясение произошло дальше от станций, время предупреждения было бы не менее четырёх секунд. Современные исследования говорят, что для перехода на безопасный режим этого времени мало, хотя для сбрасывания замедляющих стержней и прекращения активного ядерного распада необходимы только две секунды. Рисунок авторов.
Сейсмическая сеть Южной Калифорнии. Наиболее плотно датчики установлены вблизи крупных разломов и вокруг населённых пунктов. Рисунок: https://www.fdsn.org/networks/detail/Cl/.
Длина начальной части p-волны, необходимая для определения характеристик землетрясения.
Приложение для смартфонов SkyAlert, предупреждающее о землетрясениях в Калифорнии. https://www.kqed.ord.
Предупреждение в школах и офисах настроено на минимальную вероятность пропуска цели. Ложные тревоги можно расценивать как учебные. Фото Константина Кислова.
Условный график уязвимости объекта. Кривая 1 отражает уязвимость при выключении сложного объекта (например, АЭС); риск повреждения при этом не только не снижается, а, наоборот, повышается. Кривая 2 — случай торможения поезда: при снижении скорости поезда уязвимость падает. Рисунок авторов. Кривая 1 из статьи Cauzzi C., Behr Y. et al. // BEE. 2016. 14(9). https://www.kqed.ord.

Первые шаги

Раннее предупреждение о землетрясении — это прогноз того, какие сотрясения ожидаются в том или ином месте от уже случившегося события. Дело в том, что во время землетрясения от его очага расходятся сейсмические волны, как от камня, брошенного в воду. Эти волны и регистрируются системами раннего предупреждения о землетрясении, для обозначения которых обычно используют аббревиатуру EEWS — Earthquake Early Warning System. EEWS важны для снижения ущерба от землетрясений и быстрой оценки повреждений.

Впервые идею о раннем предупреждении высказал в 1868 году доктор медицины Дж. Д. Купер (J. D. Cooper) в газете «San Francisco Daily Evening Bulletin» после землетрясения в Калифорнии с магнитудой 7 (напомним, что магнитуда характеризует выделившуюся при землетрясении энергию). Он предложил поставить сейсмические датчики вблизи возможных эпицентров и на основе телеграфа создать автоматизированную систему тревоги, ударяющую в колокол в центре города. К сожалению, эта схема не была реализована.

В 1875 году М. Ривет (M. Rivet), начальник телеграфа в Фор-де-Франс (о. Мартиника, Малые Антильские острова), отметил, что каждому землетрясению предшествует появление паразитных токов в проводах телеграфа. Ривет предположил, что таким образом можно получать предупреждения о землетрясениях.

Первое раннее предупреждение о землетрясении сделал Юсеф (Yusef), телеграфист в городе Керман (Иран). Его изначальные наблюдения относятся к событию 27 мая 1897 года. Через 12 лет, 27 октября 1909 года, увидев на телеграфном аппарате такие же отклонения, он сообщил жителям дома, что надо бежать на улицу. Через шесть секунд произошло землетрясение магнитудой более 5,5. Телеграфист пытался распространить свой опыт и в газете «Новый Иран» («Irān-e Nau») он писал: «Если система подключена к большому звонку, тревога может быть услышана всеми людьми, и их жизни будут спасены».

EEWS появились только в 1960-х годах — в Японии — для торможения скоростных поездов перед землетрясением. Система использует способность электронных устройств обрабатывать и передавать информацию быстрее, чем распространяются сейсмические волны. Кроме того, к наблюдателю сначала приходит быстрая (около 5 км/с), но слабая P-волна (от англ. primary — первичная), в которой частички грунта движутся вперёд-назад, как в обычной звуковой волне. Примерно в два раза медленнее и гораздо сильнее S-волна (от англ. secondary — вторичная), при прохождении которой частички грунта колеблются из стороны в сторону. Говорят, что P-волна несёт информацию, а S-волна — разрушения. Следом приходят ещё более сильные поверхностные сейсмические волны.

Как только система мониторинга детектирует P-волну, определяет энергию (магнитуду) землетрясения, координаты гипоцентра и время начала, пользователям рассылаются предупреждения. Если объект находится прямо над очагом мелкого землетрясения, P- и S-волны приходят почти одновременно и предупреждение невозможно. В большинстве действующих EEWS радиус такой мёртвой зоны составляет 20—50 км.

Современные системы сейсмомониторинга, новые программные средства обработки сигнала позволяют анализировать и передавать данные за доли секунды. Однако время для принятия мер всё равно считается на секунды, редко на минуты. Накопленный опыт показывает, что сделать за это время можно многое.

Дополнительно EEWS даёт возможность оперативно оценивать разрушения. Информация об интенсивности землетрясения в разных местах предоставляется в виде карт. Так что аварийные службы могут выделять технику и людей своевременно и соответственно разрушениям.

Датчики, индикаторы и нейронные сети

Есть несколько стратегий организации EEWS. При барьерной стратегии сейсмические датчики размещают как можно ближе к возможному эпицентру. Это даёт относительно много времени на реагирование, если эпицентр далеко от охраняемого объекта. Так организованы сейсмические сети в Мексике, Румынии и Турции.

Самая простая стратегия — защита отдельного объекта. В этом случае один или несколько датчиков размещаются непосредственно у объекта. К этой стратегии относится EEWS, если сейсмостанции расположены вдоль железной дороги (примеры — Япония, Италия и др.) или у критических объектов (например, железнодорожный тоннель под Босфором в Турции). Иногда планируется одновременная защита нескольких объектов. Например, в Киргизии система предупреждения рассчитывается для городов Бишкек, Ош, Каракол. Если объект расположен в эпицентральной зоне, эта стратегия даёт некоторое преимущество во времени по сравнению с равномерно распределённой сетью сейсмостанций.

В 2005 году в Японии разработана — и с тех пор неоднократно применялась в разных регионах планеты — мобильная EEWS FREQL (Fast Response Equipment against Quake Load). Она особенно удобна для защиты от афтершоков* во время спасательно-восстановительных работ.

Самая надёжная стратегия — организация плотных сетей сейсмомониторинга. При этом совмещаются предыдущие два подхода. Такая стратегия даёт наибольшее время для реагирования, и вероятность ошибок существенно снижается. Раньше сеть называли плотной, если расстояние между станциями было 40 км; сейчас в эпицентральных областях речь идёт о пяти и даже трёх километрах.

Чтобы рассчитать, когда и какой интенсивности сотрясение придёт в каждую точку, следует определить координаты гипоцентра, магнитуду и время в очаге, то есть время начала землетрясения. Сделать это надо быстро, для расчётов можно использовать только начальную часть P-волны.

На расстояниях, на которых возможны разрушения, период начальной части P-волны отражает магнитуду. Разработаны методы вычисления различных индикаторов, характеризующих этот период. Они используют один и тот же физический принцип, но дают несколько несхожие результаты. Возможно, это связано с разной чувствительностью к шумам.

Амплитуда начальной части P- и S-волн тоже характеризует землетрясение. Однако, поскольку волны затухают со временем, связанные с амплитудой индикаторы зависят от эпицентрального расстояния. Тем не менее с их помощью можно оценить интенсивность землетрясения в той же точке, где они были получены. Это свойство используется при защите отдельных объектов. Наиболее употребимо пиковое смещение Pd (peak displacement), то есть максимальное отклонение грунта от среднего за определённый промежуток времени. На основании Pd получают абсолютную пиковую скорость — максимальную скорость, с которой будут двигаться частички грунта при самом сильном сотрясении.

Координаты гипоцентра наиболее надёжно определяются по пеленгу несколькими станциями. Но можно оценить положение источника землетрясения и по одной станции. Магнитуду землетрясения вычисляют по преобладающему периоду начальной части P-волны. Затем из пикового смещения Pd получают абсолютную пиковую скорость. А по её эмпирическому соотношению с магнитудой рассчитывают эпицентральное расстояние. Направление, откуда пришло землетрясение, можно определить по первому движению трёх компонент сейсмометра, регистрирующих движения грунта по направлениям север-юг — «N-S», запад-восток — «E-W», верх-низ — «Z».

Существуют индикаторы, рассчитываемые по энергетическим характеристикам волн, индикаторы, отражающие скоростные показатели движений грунта и другие. Часто применяют несколько индикаторов одновременно.

Всё чаще используют методы машинного обучения. В этом случае можно обойтись без индикаторов. Глубокие нейронные сети, то есть сети, имеющие много слоёв нейронов и способные выделять практически все свойства сигналов, могут работать прямо с сейсмограммами. Они не используют предполагаемые и упрощённые отношения между величинами, а выявляют в данных особенности, которые точно характеризуют событие.

Обилие методов вовсе не означает, что задача окончательно решена. Все индикаторы хорошо работают с землетрясениями средней силы, до магнитуды 6. При этом размер зоны разрушений сопоставим с мёртвой зоной, где предупреждение невозможно. Эта проблема особенно актуальна для районов умеренной сейсмичности. В них не часто можно встретить сейсмостойкие здания и сооружения. На подобных территориях редко бывает плотная сеть сейсмических станций. Выход — поиск более быстрых алгоритмов, совершенствование методов обработки и передачи данных. Сокращение интервала анализа с трёх до двух секунд (случай единичной станции) уменьшает радиус мёртвой зоны на 5 км.

Обычно оборудование, применяемое в EEWS, рассчитано на десятилетний срок службы, при этом в районах с умеренной сейсмичностью ощутимого землетрясения за десять лет может и не произойти. Чтобы экономически оправдать создание EEWS в таких районах, надо учитывать, что сейсмический мониторинг даёт возможность отслеживать не только землетрясения, но и взрывы, оползни, сели, лавины, карстовые провалы, мерзлотные явления. Установка дополнительных станций для EEWS позволит исследовать маломагнитудные события. К тому же катастрофические землетрясения маловероятны, но они происходят.

Для анализа событий с магнитудой от 6 до 8,5 нужен большой временной отрезок записи. Вспарывание разрыва крупного землетрясения занимает много времени, но можно ли до его окончания определить конечные характеристики землетрясения — вопрос дискуссионный.

Эмпирически найдены длины требующихся для анализа участков сейсмической записи. При этом необходимо учитывать пространственное развитие разрыва. А при более крупных землетрясениях происходит насыщение индикаторов, то есть они перестают изменяться при вариации параметров землетрясения. Из-за этого можно оценить лишь минимальную магнитуду события, например, определить, что она больше 8. Но какая именно — сказать нельзя.

Точность и достоверность

Пользователю, конечно, не интересны ни координаты эпицентра, ни магнитуда события. Самое простое предупреждение — это тревога. Такие предупреждения даются в эпицентральной зоне обычно по показанию одного датчика, когда времени совсем мало.

Тревога бывает разного уровня. Например, «зелёный» уровень означает, что событие не опасно (предупреждение не даётся), «оранжевый» — возможны небольшие разрушения, «красный» — серьёзная опасность. В некоторых алгоритмах может быть до восьми уровней. В автоматизированных системах при управлении производственными процессами удобно использовать числовые величины. Тогда в предупреждении указывается нижняя граница в баллах по шкале интенсивности (в разных странах шкалы несколько различаются), в пиковом ускорении грунта (PGA), пиковой скорости (PGV), спектральном ускорении (Sa) или других величинах. Предоставляется также вероятность прогнозной оценки. Для определения вероятности (и для её постоянного обновления) используют байесовский подход, то есть определяют, насколько вероятна та или иная гипотеза с учётом имеющихся знаний и их неполноты.

При оповещении населения с помощью калифорнийской системы ShakeAlert на экране смартфона высвечивается карта с отслеживанием волн землетрясения и развития разлома в режиме реального времени, показываются ожидаемая интенсивность, оставшееся до прихода сильных волн время и расчётная магнитуда.

Неопределённости в расчётах координат гипоцентра или пространственного распространения разрыва, насыщение индикаторов приводят к ложным тревогам и пропускам цели. Ложной тревогой называют предупреждение, при котором сотрясение не достигло прогнозного уровня (или события вообще не было), а пропуск цели — это случай, когда сотрясение, напротив, превысило прогнозный уровень. Чем плотнее сеть сейсмостанций и чем дальше объект от эпицентра, тем качественнее прогноз.

Современные разработки направлены на точность прогноза и увеличение времени на реагирование. В исследованиях учитывают механизм очага, специфику территории, по которой проходят сейсмические волны, особенности грунтов, на которых расположен объект, и даже трёхмерное распространение волн.

Сотрудники Института метеорологических исследований (Япония) предложили способ отслеживания фронта волны с помощью граничного интегрального уравнения Кирхгофа — Френеля. Это аналогично принципу Гюйгенса, когда каждая точка фронта считается новым источником сферических волн, только ещё учитывают и амплитуды волн. Такой способ полезен, если источник не определён или их несколько.

Дополнительные плотные сети дешёвых MEMS-датчиков (Microelectromechanical systems), сейсмических приборов в виде микросхем позволяют получить предупреждение за две-три секунды до пикового ускорения грунта даже в эпицентральных областях и помогают отслеживать направление разрыва.

Трудности определения крупных землетрясений стараются преодолеть с помощью глобальных систем спутниковой навигации, определяющих смещение поверхности. Их современная точность — доли сантиметра. Оценки магнитуды с их помощью доступны только через 40—60 с после землетрясения — имеется в виду время в очаге, что уже не так плохо.

Поскольку развёртывание и обслуживание сейсмических сетей — дело сложное и дорогостоящее, есть технические разработки, перекладывающие часть расходов на пользователей, проще говоря — на людей. Например, это приложения для смартфонов и ноутбуков, которые, используя встроенный акселерометр, работают как сейсмические станции. Они определяют вступление землетрясения и передают в центр обработки кусок записи. При этом отбирается не более 4% мощности процессора. У нас в России тоже есть пользователи подобных программ.

Особо отметим японскую разработку: любой человек может купить недорогой, но полноценный домашний сейсмометр и включить его в EEWS.

Оказывается, многие понимают полезность раннего предупреждения, готовы его использовать, но не знают, как. Учёным приходится протягивать руку помощи риск-менеджерам. Интуитивно понятно, что пользователей надо предупреждать в случае, если движение земли может превысить некоторый уровень. Ведь при известных ускорениях какое-то оборудование будет повреждено, и его следует отключить. В противном случае (при ускорениях ниже критических) надо продолжать работу. Тем не менее этот подход приведёт к удивительно низкой экономической выгоде. Учитывая, что и повреждения, и прогноз имеют вероятностный характер, можно действовать иначе и получить более приемлемый результат. Зная, сколько времени осталось до сильного сотрясения, можно определить, целесообразно ли вообще принятие каких-либо мер.

Проще всего с предупреждением в учебных заведениях и учреждениях. Есть разработки и для более сложных приложений, используемых применительно к платным мостам, железнодорожным тоннелям, лифтам, промышленным предприятиям.

С помощью EEWS уже много сделано для снижения сейсмического риска. Однако и учёным, и инженерам, и людям, принимающим решения, остаётся обширное поле для деятельности. Требуются проработки EEWS для районов умеренной сейсмичности. Нужно и далее проводить комплексный анализ влияния местных (грунты) и региональных (путь распространения) геологических условий, улучшать и разрабатывать новые алгоритмы для уменьшения мёртвых зон, работать над исключением ложных тревог, снижением количества пропущенных событий. Поскольку речь идёт об улучшении мониторинга и алгоритмов обработки данных, основными дальнейшими направлениями должны стать разработки пользовательских приложений, определение того, какая информация нужна, изыскание возможностей предоставить эту информацию. При этом требуются не только сценарии остановки объектов по тревоге, но и сценарии их поэтапного отключения с ориентацией на обновление EEWS, и сценарии нового быстрого запуска рабочих процессов.

В России системы раннего оповещения пока нет. Бóльшая часть территории нашей страны с глобальной точки зрения имеет низкую сейсмичность, но её нельзя назвать незначительной. Каждые десять лет на территории РФ происходит пять-шесть разрушительных землетрясений. Со временем EEWS будет создана и у нас. И чем раньше это произойдёт, чем больше будет накоплено данных для обучения и тестирования системы, тем эффективнее она будет. Начать можно с районов повышенной сейсмичности и особо ответственных объектов. В Институте теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН разработан способ определения мест возможных эпицентров, основанный на методе распознавания образов, подготавливаются методики расстановки сейсмостанций для EEWS при неплотной сети, совершенствуются алгоритмы выделения P-волны из шума.

Каждая из действующих EEWS была внедрена в ответ на значительное разрушительное землетрясение. Мы призываем внедрять системы, не дожидаясь следующего сильного землетрясения.

Комментарии к статье

* Афтершок — повторный толчок, то есть толчок, происходящий после основного и меньший по силе.

Другие статьи из рубрики «Наука. Вести с переднего края»