Прогноз землетрясений: что нового?

Завьялов Алексей Дмитриевич

доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией “Континентальной сейсмичности и прогноза сейсмической опасности” Института физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН.

Алексей Дмитриевич Завьялов, еще будучи студентом Московского горного института (окончил в 1972 г.), участвовал в организации сети станций регистрации электро-теллурического поля для поиска предвестников землетрясений на Камчатке и в Средней Азии (Гарм). Более 10 лет возглавлял Гармский полевой отряд. С 1981 г. основной круг научных интересов – физика очага землетрясения, сейсмический режим и предвестники землетрясений, разработка алгоритмов и программ прогнозирования землетрясений по комплексу физически обоснованных признаков. В 1980 г. А.Д. Завьялов впервые ввел в сейсмологическую практику параметр плотности сейсмогенных разрывов, ставший одним из наиболее эффективных предвестников землетрясений. Он – один из авторов методики среднесрочного прогноза землетрясений по комплексу прогностических признаков (алгоритм КОЗ), которая включена в методическое обеспечение Федеральной системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений (ФССН).

В 1998 г. за цикл работ "Структурные свойства сейсмичности: натурные наблюдения и лабораторное моделирование", написанных в соавторстве с А.В.Пономаревым и В.Б.Смирновым, был удостоен премии им. Е.Ф. Саваренского. Автор более 120 научных публикаций, среди которых монография «Среднесрочный прогноз землетрясений: основы, методика, реализация» (Наука, 2006).

Алексей Дмитриевич член редколлегии журнала "Вулканология и сейсмология", ученый секретарь Научного Совета по проблемам сейсмологии РАН, председатель комиссии «Очаг землетрясения: моделирование и мониторинг в целях прогноза» Международной Ассоциации по сейсмологии и физике недр Земли, национальный представитель России в Европейской Сейсмологической Комиссии. В 1999 г. за многолетнюю плодотворную работу в Российской Академии Наук и в связи с 275-летием Академии награжден грамотой "275 лет Российской Академии Наук".



Уважаемые читатели журнала «Наука и жизнь»!

Ответам на Ваши вопросы я хотел бы предпослать небольшое введение в то направление геофизики, которое называется сейсмологией, и в проблему прогноза землетрясений. Возможно, некоторые из Ваших вопросов найдут здесь ответы, а может быть и наоборот, введение даст стимул для постановки новых вопросов.

С уважением,
доктор физ.-мат. наук А.Д.Завьялов

Тут целый мир, живой, разнообразный…
Ф.И.Тютчев


Гораций, много в мире есть того,
Что вашей философии не снилось.
Но к делу.
Гамлет. В.Шекспир

Многие годы наблюдений человека за планетой, на которой он живет, привели к мысли о том, что Земля – не мертвое, бездушное тело, а живой, развивающийся по своим законам, сложнейший организм. Незнание или игнорирование этих законов может привести к бунту "неживой" природы против человека и человечества. Уже в наше время мы все чаще становимся свидетелями, а порой и соучастниками экологических катастроф, часто возникающих в результате конфликта человека и "неживой" природы. Причина этих катастроф во многих случаях – проявление той внутренней жизни нашей планеты, которая еще не до конца познана наукой.

По своим разрушительным последствиям, количеству жертв, материальному ущербу и деструктивному воздействию на среду обитания человека землетрясения занимают одно из первых мест среди других видов природных катастроф. Эти грозные явления природы опасны не сами по себе, а потому что происходят именно там, где человек живет и работает. Исторически так сложилось, что людям было удобно и экономически выгодно селиться именно там, где, как оказалось, время от времени возникают землетрясения. Внезапность возникновения землетрясений еще больше усугубляет их разрушительные последствия. Разрушения и гибель людей вызываются не только собственно вибрациями грунта, но и различными вторичными природными явлениями, которые могут активизироваться в результате землетрясения (крип, оползни, обвалы, снежные лавины, разжижение грунта и др.). Большую опасность представляют вторичные техногенные воздействия и последствия: пожары, взрывы, выбросы радиоактивных и токсичных материалов. Угрозу здоровью людей создают эпидемии, связанные с разрушением инфраструктуры городов: отсутствие жилья (один из важнейших факторов в зимнее время), повреждения систем энерго- и водоснабжения, канализации, затруднения со снабжением населения продуктами питания, оказанием медицинской помощи и т.д. Часто основной ущерб при землетрясениях связан именно с вторичными явлениями.

Стихийные явления, и землетрясения в том числе, неизбежны. Их нельзя предотвратить, но уменьшить их разрушительное влияние можно и нужно. Для этого необходимо знать причины возникновения землетрясений, изучать процессы, связанные с их подготовкой и возникновением, разрабатывать методы прогноза этих явлений. Но нельзя не сказать и о позитивной роли геофизических явлений: с их помощью наука получает бесценную информацию о процессах, происходящих в недрах земли и человеку недоступных. По образному выражению академика Б.Б.Голицына, патриарха российской сейсмологии: «Можно уподобить всякое землетрясение фонарю, который зажигается на короткое время и освещает нам внутренность Земли, позволяя тем самым рассмотреть то, что там происходит». Эти слова были сказаны им еще в самом начале 20-го века. Благодаря трудам Б.Б.Голицына наука о землетрясениях из описательной и во многом гипотетической, превратилась в строгую научную дисциплину.

Землетрясения составляют 13% от общего числа природных катастроф, произошедших в мире с 1965 г. по 1999 г., занимая третье место [Осипов, 2001]. По данным Национального Центра Информации о землетрясениях США (NEIC) в течение XX века (с 1900 по 1999 гг.) на Земле произошло 2000 землетрясений с магнитудой M_s ,равной и более 7.0, из которых 65 землетрясений имели магнитуду M_s ,равную и более 8.0. Людские потери от землетрясений XX века составили 1.4 млн. чел. Из них на последние 30 лет, когда людские и экономические потери стали фиксироваться более четко, приходится 987 тыс. чел., т.е. около 32.9 тыс. чел. в год. Только в Турции по данным сейсмологической обсерватории Кандили Университета Богазичи (KOERI) за период с 1900 по 1999 гг. произошло 84 землетрясения с M_s ,равной и более 5.0 (интенсивность сотрясений I_c> равна и более 6). От этих землетрясений погибло 81952 чел (т.е. в среднем 820 чел в год), было разрушено и повреждено 558279 строений. По данным В.И. Осипова [Осипов В.И. Природные катастрофы…2001] землетрясения занимают третье место среди всех природных катастроф по количеству смертных случаев (17% от общего числа погибших).

В России свыше 25% площади относится к сейсмоопасным зонам, где возможны сейсмические сотрясения с интенсивностью 7 и более баллов [Уломов, 2000; Уломов, Шумилина, 1999-2000]. На этой территории расположены около 3000 больших и малых городов и поселков, 100 крупных гидро- и тепловых электростанций, 5 атомных электростанций и большое количество предприятий повышенной экологической опасности. Территория 103 городов России подвержена опасности землетрясений [Уломов, Шумилина, 1999-2000; Осипов, 2001]. Отсюда вытекает важность и актуальность решения задачи прогнозирования землетрясений как части более общей проблемы уменьшения опасности и экономических последствий от воздействия природных катастроф.

В настоящее время на территории России работает более 250 сейсмических станции, которые регистрируют происходящие землетрясения не только на территории России, но и во всем мире.

Что же является причиной землетрясений? По современным представлениям землетрясение есть следствие возникновения разрыва сплошности горных пород (гигантской трещины) в глубинах земных недр. Этот разрыв распространяется, или, как говорят, прорастает со скоростью первых километров в секунду, а его берега при этом излучают упругие волны. Упругие волны достигают земной поверхности за несколько секунд, что и вызывает при сильных землетрясениях разрушение зданий и сооружений, ведет к гибели людей. Землетрясения можно классифицировать следующим образом:

По происхождению:

• природные
• техногенные (связанные с деятельностью человека)
• природно-техногенные
По механизму возникновения:
• тектонические
• вулканические
• обвальные (карстовые)
• морозобойные

По пространственному расположению:

• коровые (h≤70 км)
• промежуточные (h=70-300 км, переходная зона мантии)
• глубокофокусные (h=300-720 км, верхняя мантия)
• внутриплитовые
• континентальные

Прогноз землетрясений – сложная научная проблема и благородная цель сейсмологии. Точно предсказать время возникновения очередных сейсмических толчков, а тем более предотвратить их, к сожалению, невозможно. Однако разрушения и число человеческих жертв могут быть уменьшены путем проведения в сейсмоактивных районах разумной и долговременной государственной политики, основанной на повышении уровня осведомленности населения и федеральных органов об угрозе землетрясений и умении противостоять подземной стихии.

Начало широкомасштабных исследований по проблеме прогноза землетрясений относится к середине 50-х годов ХХ века. В этот период получили мощное развитие национальные системы сейсмологических и геофизических наблюдений, нацеленные на прогноз сильных землетрясений. В СССР были организованы прогностические полигоны в Гарме (Памир, Таджикистан), на Камчатке. В течение первых 10-15 лет инструментальных наблюдений были обнаружены десятки различных явлений – предвестников, предшествующих возникновению землетрясений. Однако, как правило, это были единичные сообщения. И подавляющее большинство предвестников не имело данных о своей прогностической эффективности.

Значительными вехами в изучении физики очага и выявлении прогностических признаков (эмиссия радона, деформации земной поверхности и др.) стали результаты исследований природы разрушительного Ташкентского землетрясения 1966 г. и первый Международный симпозиум по прогнозу землетрясений, состоявшийся в Ташкенте в 1974 г. под эгидой Международной Ассоциации по Сейсмологии и Физике Недр Земли (МАСФНЗ) [Уломов, Мавашев, 1967; Уломов, 1968; Ташкентское…, 1971; Поиски…, 1974].

Первый и весьма обнадеживающий прогноз сильных землетрясений относится к середине 70-х годов прошлого века, когда в июне 1974 г.–январе 1975 г. китайские ученые, проанализировав данные наблюдений за различными геофизическими полями, за несколько дней до Хайченского землетрясения (4 февраля 1975 г.,M=7.3, I₀ = 9) сообщили о прогнозе властям провинции Хэбэй. В результате этого в считанные часы было эвакуировано население г.Хайчен [Adams, 1976]. Предсказанное землетрясение произошло, но экономический и социальный ущерб были минимальными. Казалось, проблема прогноза землетрясений практически решена. Однако чуть больше года спустя в том же Китае в 200-300 км к востоку от Пекина произошло Таншаньское землетрясение (28 июля 1976 г., M = 7.9), которое целиком разрушило г.Таншань с миллионным населением и унесло сотни тысяч жизней. Здесь также наблюдались многочисленные предвестники, однако, отсутствие на тот момент достаточных статистических данных об их достоверности и эффективности не позволило объявить тревогу.

После Таншаньского землетрясения и неудавшегося многолетнего эксперимента по прогнозу землетрясения в Паркфилде (США, штат Калифорния) в середине 80-х годов прошлого века [Kerr, 1993] в прогнозных исследованиях наступил период "отлива" и скептического отношения к возможности решения этой проблемы. В научной печати разгорелась дискуссия о принципиальной возможности прогноза землетрясений [Geller et al., 1997; Geller, 1997; Kagan, 1997; Leary, 1997; Wyss, 1997; Соболев, 1999].

Однако, несмотря на это, в конце 80-х годов ХХ века эпоха "отлива" сменилась устойчивым "приливом". Хотя, как отмечает А.В.Николаев в своем предисловии к книге И.П.Добровольского [Добровольский, 1991], не вполне ясно, что же повлияло на принятие оптимистической концепции. Возможно, не последнюю роль в этом сыграло катастрофическое Спитакское землетрясение в Армении, произошедшее 7 декабря 1988 г. После него в СССР, а затем в Российской Федерации в течение нескольких лет наблюдалось повышенное внимание руководства страны к проблеме сейсмической опасности. В 1990 г. Институт физики Земли РАН возглавил исследования по общему сейсмическому районированию (ОСР) территории бывшего СССР с целью создания новой карты ОСР. В 1997 г. эта работа завершились созданием комплекта принципиально новых вероятностных карт – ОСР-97 [Уломов, Шумилина, 1999-2000]. В мае 1993 г. Постановлением Правительства Российской Федерации было принято решение о разработке проекта Федеральной Системы Сейсмологических Наблюдений и Прогноза Землетрясений (ФССН), основные направления которой на 1995-2000 гг. были одобрены Правительством РФ в ноябре 1994 г. [Системный…, 1995]. В 2002 г. правительство РФ впервые в отечественной практике утвердило Федеральную целевую программу "Сейсмобезопасность территории России" (2002–2010 гг.).

Под прогнозом землетрясений понимают определение места, времени и силы (магнитуды) землетрясения. По времени прогноз подразделяется на долгосрочный (на десятилетия вперед), среднесрочный (на годы вперед), краткосрочный (на дни-месяцы вперед) и оперативный (на минуты–часы вперед). Следует заметить, что деление это в достаточной степени условное. Каждый этап прогноза базируется на определенном наборе предвестников – геофизических явлений (в основном), опережающих и предвещающих возникновение землетрясения.

Сейсмическое районирование, например, можно сравнить с определением сейсмического климата:

• районы наиболее подверженные сейсмической опасности – сейсмические пояса Земли – это сейсмический «юг», там «жарко»;
• районы, где сейсмичность отсутствует, или незначительна – это сейсмический «север».

К настоящему времени во всем мире насчитывается несколько сотен различных по своей природе предвестников землетрясений. Их можно разделить на две группы. Первая, наиболее многочисленная и наиболее изученная группа – геофизические предвестники, т.е. предвестники, связанные с закономерным поведением различных геофизических полей на разных этапах подготовки землетрясения. Предвестники этой группы покрывают практически весь диапазон прогноза по времени: от долгосрочного до оперативного. Вторая группа – предвестники, связанные с необычным поведением биологических объектов перед возникновением землетрясения. Эта группа предвестников менее изучена, чем первая. Их можно отнести к краткосрочным и оперативным.

В свою очередь геофизические предвестники делятся на сейсмические, гидрогеодинамические, деформационные, геохимические, термические, гравитационные, электромагнитные [Зубков, 2002]. В последние годы с развитием спутниковых технологий дистанционного наблюдения за земной поверхностью и атмосферой появились сообщения, например, об аномальном разогреве земной поверхности в эпицентральной области Измитского землетрясения (Западная Турция) 17 августа 1999 г., M = 7.4 [Carreño et al., 2000], об аномальном изменении погодных условий, о характерных изменениях структуры трещиноватости земной поверхности в районе подготовки землетрясения [Arellano-Baeza et al., 2006].

Несмотря на огромное количество предвестников, ни один из них не дает точных указаний на время, место и силу грядущего землетрясения. В разных сейсмоактивных районах различные предвестники работают по-разному, давая большой разброс в оценках места, времени и силы будущего землетрясения. Это связано как со сложностью самого объекта исследований – очага землетрясения, условий его зарождения и развития, отсутствием количественной теории подготовки землетрясения, так и с существенным влиянием помехообразующих факторов, которые далеко не всегда удается исключить из рассмотрения. Поэтому прогноз землетрясений, как и прогноз погоды, по своей природе имеет вероятностный характер. Следует также заметить, что сообщения о предвестниках землетрясений являются, по большей части, единичными и по ним затруднительно, а порой и невозможно оценить даже ретроспективно их статистические характеристики: вероятность правильного прогноза, вероятность ложной тревоги, среднее время ожидания землетрясения после возникновения предвестника.

Анализ многолетних данных по ряду геофизических (в основном сейсмологических) предвестников показал, что вероятность успешного прогноза по каждому из них не превышает 0.5 [Завьялов, 2002]. Одним из возможных выходов из этой ситуации является совместное использование нескольких прогностических признаков. При этом исходят из того, что каждый отдельный предвестник отражает ту, или иную сторону многогранного и не до конца ясного процесса подготовки землетрясения и не является достаточно информативным с точки зрения статистики. Поэтому их комплексное использование позволит повысить надежность и эффективность прогнозных оценок. Практика последних лет показала оправданность такого подхода, по крайней мере, для среднесрочного (первые годы) прогноза [Завьялов, 2006].

Каким же требованиям должны отвечать наблюдаемые явления, чтобы их можно было бы рассматривать в качестве предвестников землетрясений? Их можно сформулировать следующим образом:

• ясный физический смысл прогностических признаков;
• физическая обоснованность связи каждого прогностического признака с процессом подготовки землетрясений;
• обеспеченность каждого прогностического признака данными наблюдений, как во времени - наличие долговременных рядов значений прогностических признаков, так и в пространстве, т.е. возможность их картирования;
• наличие формализованной процедуры выделения аномалий прогностических признаков, основанной на модели их поведения в период подготовки землетрясения;
• возможность получения оценок ретроспективных статистических характеристик каждого предвестника: вероятности успешных прогнозов (вероятности обнаружения), вероятности ложных тревог, прогностической эффективности (информативности) и т.п.

Литература.

Завьялов А.Д. Среднесрочный прогноз землетрясений: основы, методика, реализация. // М.: Наука, 2006, 254 с.

Завьялов А.Д., Смирнов В.Б. и др. Сейсмичность при горных работах (под ред. акад. Н.Н.Мельникова). Раздел 3.3. Сейсмические предвестники мощных динамических явлений. // Апатиты. Изд-во КНЦ РАН. 2002, 326 с.

Зубков С.И. Предвестники землетрясений. // М.: ОИФЗ РАН. 2002, 140 с.

Осипов В.И. Природные катастрофы на рубеже XXI века. // Вестник РАН. 2001, т.71, №4, с.291-302.

Поиски предвестников землетрясений. Отв. ред. Е.Ф.Саваренский, В.И.Уломов. // Международный симпозиум 27 мая – 3 июня 1974 г. Ташкент: ФАН Узб. ССР. 1974, 264 с.

Соболев Г.А. Стадии подготовки сильных камчатских землетрясений. // Вулканология и сейсмология. 1999, № 4-5, с.63-72.

Ташкентское землетрясение 26 апреля 1996 года. // Ташкент: ФАН Узб. ССР. 1971, 672 с.

Уломов В.И. Методика поиска прогностических признаков землетрясений. // Информационное сообщение АН УзССР. 1977. № 186, 11 с.

Уломов В.И. Методика поиска прогностических признаков землетрясения. // Сейсмологические исследования в Узбекистане. Ташкент: ФАН. 1979, с.30-42.

Уломов В.И. На пути к прогнозу землетрясений. // Земля и Вселенная. 1968, № 3.

Уломов В.И. Общее сейсмическое районирование территории Российской Федерации ОСР-97. Список населенных пунктов Российской Федерации, расположенных в сейсмических районах. Карты общего сейсмического районирования ОСР-97 (вкладка). // Строительные нормы и правила "Строительство в сейсмических районах" СниП II-7-81*. Изд. офиц. М.: Госстрой. 2000, с.25-44.

Уломов В.И. Синтетические прогностические кривые для выявления предвестников землетрясений. // Экспериментальная сейсмология в Узбекистане. Ташкент: ФАН. 1983, с.87-92.

Уломов В.И., Мавашев Б.З. О предвестнике сильного тектонического землетрясения. // ДАН СССР. 1967, т.176, № 2, с.35-37.

Уломов В.И., Шумилина Л.С. Комплект карт Общего сейсмического районирования территории Российской Федерации - ОСР-97. Масштаб 1:8 000 000. Объясн. зап. М.: ОИФЗ РАН. 1999, 57 с.; Карта на 4-х листах / Гл. ред. В.Н.Страхов, В.И.Уломов. М.: Роскартография. 2000.

Уломов В.И., Полякова Т.П., Медведева Н.С. О долгосрочном прогнозе сильных землетрясений в Центральной Азии и Черноморско-Каспийском регионе. // Физика Земли. 2002, № 4, с.31-47.

Adams R.D. The Haicheng, China earthquake of 4 February 1975  the first successfully predicted earthquake. // Int. J. Earthq. Eng. and Struct. Dyn. 1976, v.4, # 5, pp.423-437.

Arellano-Baeza A.A., Zverev A.T., Malinnikov V.A. Study of changes in the leniament structure? Caused by earthquakes in South America by applying the leniament analysis to the Aster (Terra) satellite data. // Science@direct, Advances in Space Research, 2006, v.37, pp.690-697.

Carreño E., Capote R., Yagüe A., Tordesillias J.M. et al. (SISMOSAT group). Observations of thermal anomaly associated to seismic activity from remote sensing. // 27th Gen. Assembly of the European Seismological Commission, Book of abstracts and papers. Lisbon University, Lisbon, Portugal, 10-15 September 2000, p.84 (abstract), pp.265-269 (paper).

Geller R.J. Earthquake prediction: A critical review. // Geophys. J. Inter. 1997, vol.131, pp.425-450. Geller R.J., Jackson D.D., Kagan Y.Y., Mulargia F. Earthquakes cannot be predicted. // Science. 1997, v.275, pp.1616-1617.

Kagan Y.Y. Are earthquakes predictable? // Geophys. J. Inter. 1997, vol.131, pp.505-525. Kerr R. Earthquake prediction: Mexican quake shows one way to look for the big ones. // Sciences. 1979, v.203, # 4383, pp.860-862.

Leary P.C. Rock as a critical-point system and the inherent implausibility of reliable earthquake prediction. // Geophys. J. Inter. 1997, vol.131, pp.451-466.

Natural disaster in the world. Statistical trend on natural disasters. National land agency: Japan. IDNDR. Promotion office. 1994.

Wyss M. Cannot earthquakes be predicted? // Science. 1997, v.278, pp.487-490.