Косвенные признаки начала сильного землетрясения. Предвестник землетрясения. Предупредительные меры безопасности

Предвестники землетрясений

Следя за изменением различных свойств Земли, сейсмологи надеются установить корреляцию между этими изменениями и возникновением землетрясений. Те характеристики Земли, значения которых регулярно изменяются перед землетрясениями, называют предвестниками, а сами отклонения от нормальных значений – аномалиями.

Ниже будут описаны основные (считают, что их более 200) предвестники землетрясений, изучаемые в настоящее время.

Сейсмичность. Положение и число землетрясений различной магнитуды может служить важным индикатором приближающегося сильного землетрясения. Например, сильное землетрясение часто предваряется роем слабых толчков. Выявление и подсчет землетрясений требует большого числа сейсмографов и соответствующих устройств для обработки данных.

Движения земной коры. Геофизические сети с помощью триангуляционной сети на поверхности Земли и наблюдения со спутников из космоса могут выявить крупномасштабные деформации (изменение формы) поверхности Земли. На поверхности Земли проводится исключительно точная съемка с помощью лазерных источников света. Повторные съемки требуют больших затрат времени и средств, поэтому иногда между ними проходит несколько лет и изменения на земной поверхности не будут вовремя замечены и точно датированы. Тем не менее подобные изменения являются важным индикатором деформаций в земной коре.

Опускание и поднятие участков земной коры. Вертикальные движения поверхности Земли можно измерить с помощью точных нивелировок на суше или мареографов в море. Поскольку мареографы устанавливаются на грунте, а записывают положение уровня моря, они выявляют длительные изменения среднего уровня воды, которые можно интерпретировать как поднятия и опускания самой суши.

Наклоны земной поверхности. Для измерения угла наклона земной поверхности был сконструирован прибор, называемый наклономером. Наклономеры обычно устанавливаются около разломов на глубине 1-2 м ниже поверхности земли и их измерения указывают на выразительные изменения наклонов незадолго до возникновения слабых землетрясений.

Деформации. Для измерения деформаций горных пород бурят скважины и устанавливают в них деформографы, фиксирующие величину относительного смещения двух точек. После этого деформация определяется путем деления относительного смещения точек на расстояние между ними. Эти приборы настолько чувствительны, что измеряют деформации в земной поверхности вследствие земных приливов, вызванных гравитационным притяжением Луны и Солнца. Земные приливы, представляющие собой движение масс земной коры, похожее на морские приливы, вызывают изменения высоты суши с амплитудой до 20 см. Крипометры подобны деформографам и используются для измерения крипа, или медленного относительного движения крыльев разлома.

Скорости сейсмических волн. Скорость сейсмических волн зависит от напряженного состояния горных пород, через которые волны распространяются. Изменение скорости продольных волн – сначала ее понижение (до 10%), а затем, перед землетрясением,- возврат к нормальному значению, объясняется изменением свойств горных пород при накоплении напряжений.

Геомагнитизм. Земное магнитное поле может испытывать локальные изменения из-за деформации горных пород и движения земной коры. С целью измерения малых вариаций магнитного поля были разработаны специальные магнитометры. Такие изменения наблюдались перед землетрясениями в большинстве районов, где были установлены магнитометры.

Земное электричество. Изменения электросопротивления горных пород могут быть связаны с землетрясением. Измерения проводятся с помощью электродов, помещенных в почву на расстоянии нескольких километров друг от друга. При этом измеряется электрическое сопротивление толщи земли между ними. Опыты, проведенные сейсмологами Геологической службы США обнаружили некоторую корреляцию этого параметра со слабыми землетрясениями.

Содержание радона в подземных водах. Радон – это радиоктивный газ, присутствующий в грунтовых водах и в воде скважин. Он постоянно выделяется из Земли в атмосферу. Изменения содержания радона перед землетрясением впервые были замечены в Советском Союзе, где десятилетнее возрастание количества радона, растворенного в воде глубоких скважин, сменилось резким его падением перед Ташкентским землетрясением 1966 года (магнитуда 5.3).

Уровень воды в колодцах и скважинах. Уровень грунтовых вод перед землетрясениями часто повышается или понижается, как это было в Хайчэне (Китай), по-видимому из-за изменений напряженного состояния горных пород. Землетрясения могут и прямо влиять на уровень воды; вода в скважинных может колебаться при прохождении сейсмических волн, даже если скважина находится далеко от эпицентра. Уровень воды в скважинах, находящихся вблизи эпицентра, часто испытывает стабильные изменения: в одних скважинах он становится выше, в других – ниже.

Изменение температурного режима приповерхностных земных слоев. Инфракрасная съемка с космической орбиты позволяет “рассмотреть” своеобразное тепловое покрывало нашей планеты – невидимый глазу тонкий слой в сантиметры толщиной, создаваемый вблизи земной поверхности ее тепловым излучением. Сейчас накоплено много факторов, которые говорят об изменении температурного режима приповерхностных земных слоев в периоды сейсмической активизации.

Изменение химического состава вод и газов. Все геодинамически активные зоны Земли отличаются существенной тектонической раздробленностью земной коры, высоким тепловым потоком, вертикальной разгрузкой вод и газов самого пестрого и нестабильного во времени химического и изотопного состава. Это создает условия для поступления в подземные

Поведение животных. В течение столетий многократно сообщалось о необычайном поведении животных перед землетрясением, хотя до последнего времени сообщения об этом всегда появлялись после землетрясения, а не до него. Нельзя сказать, действительно ли описанное поведение было связано с землетрясением, или же это было просто обычное явление, которое каждый день случается где-нибудь в окрестностях; к тому же в сообщениях упоминаются как те события, которые вроде бы случились за несколько минут до землетрясения, так и те, что произошли за несколько дней.

Миграция предвестников землетрясений

Значительную сложность при определении места очага будущего землетрясения по наблюдениям за предвестниками представляет собой большой ареал распространения последних: расстояния, на которых наблюдаются предвестники, в десятки раз превышают размеры разрыва в очаге. При этом краткосрочные предвестники наблюдаются на больших расстояниях, чем долгосрочные, что подтверждает более слабую их связь с очагом.

Теория дилатансии

Теория, способная объяснить некоторые из предвестников, основана на лабораторных опытах с образцами горных пород при очень высоких давлениях. Известная под названием “теория дилатансии”, она впервые была выдвинута в 1960-х годах У.Брейсом из Массачусетского технологического института и развита в 1972 году А.М. Нуром из Станфордского университета. В этой теории дилатансия обозначает увеличение объема горной породы при деформации. Когда происходят движения земной коры, в породах растут напряжения и образуются микроскопические трещины. Эти трещины меняют физические свойства пород, например, уменьшаются скорости сейсмических волн, увеличивается объем породы, меняется электросопротивление (возрастает в сухих породах и уменьшается во влажных). Далее, по мере того, как в трещины проникает вода, они уже не могут схлопываться; следовательно, породы увеличиваются в объеме, и поверхность Земли может подняться. В результате вода распространяется по всей расширяющейся зане, повышая поровое давление в трещинах и снижая прочность пород. Эти изменения могут привести к землетрясению. Землетрясение высвобождает накопленные напряжения, вода выдавливается из пор, и многие из прежних свойств пород восстанавливаются.

Т. ЗИМИНА

Землетрясение в городе Кобе (Япония). 1995 год. Здание в деловой части города.

Землетрясение в городе Кобе (Япония). 1995 год. Трещина в земле у теплоходной пристани.

Землетрясение в Сан-Франциско (США). 1906 год.

Каждый год на земном шаре происходят несколько сотен тысяч землетрясений, и около ста из них - разрушительные, несущие гибель людям и целым городам. Среди самых страшных землетрясений уходящего ХХ века - землетрясение в Китае в 1920 году, унесшее жизни более 200 тысяч людей, и в Японии в 1923 году, во время которого погибли более 100 тысяч человек. Научно-технический прогресс оказался бессилен перед грозной стихией. И спустя более чем пятьдесят лет во время землетрясений продолжают гибнуть сотни тысяч людей: в 1976 году во время Тянь-Шаньского землетрясения погибли 250 тысяч человек. Затем были страшные землетрясения в Италии, Японии, Иране, США (в Калифорнии) и у нас - на территории бывшего СССР: в 1989 году в Спитаке и в 1995 году в Нефтегорске. Совсем недавно - в 1999 году стихия настигла и погребла под обломками собственных домов около 100 тысяч человек во время трех страшных землетрясений в Турции.

Хотя Россия - не самое сейсмоопасное место на Земле, землетрясения и у нас могут принести немало бед: за последние четверть века в России произошло 27 значительных, то есть силой более семи баллов по шкале Рихтера, землетрясений. Положение отчасти спасает малонаселенность многих сейсмически опасных районов - Сахалина, Курильских островов, Камчатки, Алтайского края, Якутии, Прибайкалья, чего, однако, не скажешь о Кавказе. Тем не менее в зонах возможных разрушительных землетрясений в России в общей сложности проживают 20 миллионов человек.

Имеются сведения, что в прошлые века на Северном Кавказе бывали разрушительные землетрясения интенсивнос тью в семь-восемь баллов. Особенно сейсмически активен район Кубанской низменности и нижнего течения реки Кубань, где в период с 1799 по 1954 год произошло восемь сильных землетрясений силой шесть-семь баллов. Также активна Сочинская зона в Краснодарском крае, поскольку она расположена на пересечении двух тектонических разломов.

Последние полтора десятка лет оказались сейсмически неспокойными для нашей планеты. Не составила исключение и территория России: основные сейсмически опасные зоны - Дальневосточная, Кавказская, Байкальская - активизировались.

Большинство очагов сильных толчков находится поблизости от крупнейшей геологической структуры, пересекаю щей Кавказский регион с севера на юг, - в Транскавказском поперечном поднятии. Это поднятие разделяет бассейны рек, текущих на запад - в Черное море и на восток - в Каспийское море. Сильные землетрясения в этом районе - Чалдыранское 1976 года, Параванское 1986 года, Спитакское 1988 года, Рача-Джавское 1991 года, Барисахское 1992 года - постепенно распространялись с юга на север, с Малого Кавказа на Большой и наконец достигли южных границ Российской Федерации.

Северное окончание Транскавказского поперечного поднятия располагается на территории России - Ставропольского и Краснодарс кого краев, то есть в районе Минеральных Вод и на Ставропольском своде. Слабые землетрясения силой два-три балла в районе Минеральных Вод - явление обычное. Более сильные землетрясения здесь происходят в среднем раз в пять лет. В начале 90-х годов достаточно сильные землетрясения интенсивностью три-четыре балла были зарегистрированны в западной части Краснодарского края - в Лазаревском районе и в Черноморской впадине. А в ноябре 1991 года аналогичное по силе землетрясение ощущалось в городе Туапсе.

Чаще всего землетрясения происходят в районах быстро меняющегося рельефа: в области перехода островной дуги к океанологическому желобу или в горах. Однако много землетрясений бывает и на равнине. Так, например, на сейсмически спокойной Русской платформе за все время наблюдений зафиксировано около тысячи слабых землетрясений, большая часть из которых произошла в районах добычи нефти в Татарии.

Возможен ли прогноз землетрясений? Ответ на этот вопрос ученые ищут на протяжении многих лет. Тысячисейсмостанций, плотно окутавших Землю, следят за дыханием нашей планеты, и целые армии сейсмологов и геофизиков, вооружившись приборами и теориями, пытаются спрогнозировать эти страшные стихийные бедствия.

Земные недра никогда не бывают спокойны. Процессы, в них происходящие, вызывают движения земной коры. Под их воздействием поверхность планеты деформируется: она поднимется и опускается, растягивается и сжимается, на ней образуются гигантские трещины. Густая сеть трещин (разломов) покрывает всю Землю, разбивая ее на большие и малые участки - блоки. По разломам отдельные блоки могут смещаться относительно друг друга. Итак, земная кора - неоднородный материал. Деформации в ней накапливаются постепенно, приводя к локальному развитию трещин.

Чтобы прогноз землетрясения был возможен, надо знать, как оно возникает. Основу современных представле ний о возникновении очага землетрясения составляют положения механики разрушений. Согласно подходу основателя этой науки Гриффитса, в какой-то момент трещина теряет устойчивость и начинает лавинообразно
распространяться. В неоднородном материале перед образованием крупной трещины обязательно появляются различные предваряющие этот процесс явления - предвестники. На этой стадии увеличение по каким-либо причинам напряжений в области разрыва и его длины не приводит к нарушению устойчивости системы. Интенсивность предвестников с течением времени снижается. Стадия неустойчивости - лавинообразное распространение трещины возникает вслед за уменьшением или даже полным исчезновением предвестников.

Если применить положения механики разрушений к процессу возникновения землетрясений, то можно сказать, что землетрясение - это лавинообразное распространение трещины в неоднородном материале - земной коре. Поэтому, как и в случае материала, этот процесс предваряют его предвестники, а непосредственно перед сильным землетрясением они должны полностью или почти полностью исчезнуть. Именно этот признак наиболее часто использует ся при прогнозировании землетрясения.

Прогноз землетрясений облегчается еще и тем, что лавинообразное образование трещин происходит исключитель но на сейсмогенных разломах, где они уже неоднократно происходили ранее. Так что наблюдения и измерения с целью прогнозирования ведут в определенных зонах согласно разработанным картам сейсмического районирования. Такие карты содержат сведения об очагах землетрясений, их интенсивности, периодах повторяемости и т.д.

Предсказание землетрясений обычно ведется в три этапа. Сначала выявляют возможные сейсмически опасные зоны на ближайшие 10-15 лет, затем составляют среднесрочный прогноз - на 1-5 лет, и если вероятность землетрясения в данном месте велика, то проводится краткосрочное прогнозирование.

Долгосрочный прогноз призван выявить сейсмически опасные зоны на ближайшие десятилетия. В его основе лежит изучение многолетней цикличности хода сейсмотектонического процесса, выявление периодов активизации, анализ сейсмических затиший, миграционных процессов и т.д. Сегодня на карте земного шара очерчены все области и зоны, где в принципе могут случиться землетрясения, а значит, известно, где нельзя строить, например, атомные электростанции и где надо строить сейсмостойкие дома.

Среднесрочный прогноз базируется на выявлении предвестников землетрясений. В научной литературе зафиксировано более сотни видов среднесрочных предвестников, из которых около 20 упоминается наиболее часто. Как отмечалось выше, перед землетрясе ниями появляются аномальные явления: исчезают постоянные слабые землетрясения; меняются деформация земной коры, электрические и магнитные свойства пород; падает уровень подземных вод, снижается их температура, а также меняется их химический и газовый состав и др. Сложность среднесрочного прогнозирования состоит в том, что эти аномалии могут проявляться не только в зоне очага, и поэтому ни один из известных среднесрочных предвестников нельзя отнести к универсальным.

Но человеку важно знать, когда и где конкретно ему грозит опасность, то есть нужно предсказание события за несколько дней. Именно такие краткосрочные прогнозы пока составляют для сейсмологов главную трудность.

Основной признак грядущего землетрясения - исчезновение или уменьшение среднесрочных предвестников. Существуют и краткосрочные предвестники - изменения, происходящие вследствие уже начавшегося, но пока еще скрытого развития крупной трещины. Природа многих видов предвестников еще не изучена, поэтому приходится просто анализировать текущую сейсмическую обстановку. Анализ включает измерение спектрального состава колебаний, типичность или аномальность первых вступлений поперечных и продольных волн, выявление тенденции к группированию (это называют роем землетрясений), оценку вероятности активизации тех или иных тектонически активных структур и др. Иногда в качестве природных индикаторов землетрясения выступают предварительные толчки - форшоки. Все эти данные могут помочь спрогнозировать время и место будущего землетрясения.

По данным ЮНЕСКО, такая стратегия уже позволила предсказать семь землетрясений в Японии, США и Китае. Наиболее впечатляющий прогноз был сделан зимой 1975 года в городе Хайчэн на северо-востоке Китая. Район наблюдали в течение нескольких лет, возрастание числа слабых землетрясений позволило объявить всеобщую тревогу 4 февраля в 14 часов. А в 19 часов 36 минут произошло землетрясение силой более семи баллов, город оказался разрушенным, но жертв практически не было. Эта удача очень обнадежила ученых, однако за ней последовал ряд разочарований: предсказанные сильные землетрясения не произошли. И на сейсмологов посыпались упреки: объявление сейсмической тревоги предполагает остановку многих промышленных предприятий, в том числе непрерывного действия, отключение электроэнергии, прекращение подачи газа, эвакуацию населения. Очевидно, что неверный прогноз в этом случае оборачивается серьезными экономическими потерями.

В России до недавнего времени прогнозирование землетрясений не находило своего практического воплощения. Первым шагом в организации сейсмического мониторинга в нашей стране было созданние в конце 1996 года Федерального центра прогнозирования землетрясений Геофизической службы РАН (ФЦП РАН). Теперь Федеральный центр прогнозирования включен в мировую сеть аналогичных центров, и его данные используют сейсмологи всего мира. В него стекается информация с сейсмических станций или комплексных пунктов наблюдений, расположенных по всей стране в сейсмоопасных районах. Эту информацию обрабатывают, анализируют и на ее основе составляют текущий прогноз землетрясений, который еженедельно передается в Министерство чрезвычайных ситуаций, а оно в свою очередь принимает решения о проведении соответствующих мероприятий.

Служба срочных донесений РАН использует сводки 44 сейсмических станций России и СНГ. Поступавшие прогнозы были достаточно точны. В минувшем году ученые заблаговременно и правильно спрогнозировали декабрьское землетрясение на Камчатке силой до восьми баллов в радиусе 150-200 км.

Тем не менее ученые вынуждены признать, что главная задача сейсмологии еще не решена. Можно говорить лишь о тенденциях развития сейсмической обстановки, но редкие точные прогнозы вселяют надежду, что в недалеком будущем люди научатся достойно встречать одно из самых грозных проявлений силы природы.

Фото О. Белоконевой.

Профессор Томского политехнического института А. А. Воробьев считает, что вспышки вызваны механо - электрическими процессами в горных породах при их сжатии и растяжении.

Каждый год на земном шаре происходят несколько сотен тысяч землетрясений, некоторые из них становятся разрушительными. Но предсказать когда именно, где и какими сильными будут подземные толчки даже современные сейсмологи практически в состоянии. Известно, что животные могут предчувствовать землетрясение и вести себя весьма напряженно, нервно и стараться уйти из неблагополучного места как можно скорее. Иногда перед землетрясением слышится гул из-под земли. Ученые считают, что это вызвано тектоническим движением плит. А иногда на небе можно наблюдать загадочные вспышки света.

Всем известно, что больше всех от природной стихии страдала и страдает Япония. Именно японцы первыми и начали анализировать различные природные явления-предвестники землетрясений. И возможно они первые, кто записывал в своих исторических хрониках о необычных световых феноменах, возникавших как раз перед движением земли под ногами. 373 год до нашей эры. — одно из первых задокументированных в Стране восходящего Солнца свидетельств о подобном странном явлении.

Долгое время феномен световых вспышек, связанных с землетрясениями, геофизики и сейсмологи игнорировали, считая, что во всем виноваты разрывы высоковольтных линий и вспышки прорвавшегося в трубах газа. Лишь в последние десятилетия им серьезно заинтересовались учёные, благо записанных на видео свидетельств стало намного больше.

Профессор Томского политехнического института А. А. Воробьев считает, что вспышки вызваны механо — электрическими процессами в горных породах при их сжатии и растяжении. Если миллионы тонн природных минералов сжимать и разжимать, под земной поверхностью заработает мощнейшая электрическая машина, генерирующая высоковольтные поля и радиоволны. Когда горные породы разрушаются, то мы можем увидеть интенсивные электрические разряды, похожие на вспышки молний.

Все эти явления предшествуют землетрясению. И могут наблюдаться за сутки до него, за часы, но чаще всего за минуты до самого толчка. Стоит отметить, что электрический разряд возникает при разрушении любой горной породы и даже угольных пластов. Возможно, иногда вспышки света, заснятые на камеру, являются ни чем иным, как взрывами в угольных шахтах, при поджоге в последних природными электрическими процессами находящейся там воздушно-метановой смеси.

Учёными было так же обнаружено, что за несколько часов до начала землетрясения в в атмосфере на высоте около 100 км над будущим эпицентром возрастает интенсивность свечения зеленой линии атомарного кислорода. По их мнению, возбуждение верхних слоев атмосферы происходит под действием инфра-звуковых волн из очага готовящегося землетрясения. Если землетрясение будет крупным, то инфразвуковые волны при распространении вверх могут передать часть своей энергии атомам кислорода, заставив их светится характерной для этого элемента длиной волны. Обычно свечение слабое и почти не заметно. Но при резком повышении концентрации таких частиц вспышки света можно наблюдать невооруженным взглядом в ночное время. Свет может пульсировать, иметь разный оттенок и перемещаться по небосводу.

Каждое сильное землетрясение приводит к частичной разгрузке накопленных в данном месте сейсмоактивного района напряжений. При этом напряжения по абсолютной величине уменьшаются в районе очага землетрясений всего на 50–100 кг/см 2 , что составляет только первые проценты от существующих в земной коре. Однако этого достаточно для того, чтобы следующее сильное землетрясение в данном месте произошло через довольно значительный промежуток времени, исчисляемый десятками и сотнями лет, так как скорость накопления напряжений не превышает 1 кг/см 2 в год. Энергия землетрясения черпается из окружающего очаг объема пород. Поскольку максимальная упругая энергия, которую может накопить горная порода до разрушения, определена как 10 3 эрг/см 3 , существует прямо пропорциональная зависимость между энергией землетрясения и объемом пород, отдающих свою упругую энергию во время землетрясения. Естественно, что промежуток времени между последовательными сильными землетрясениями будет возрастать с увеличением энергии (магнитуды) землетрясения. Мы приходим, таким образом, к понятиюсейсмического цикла .

На основе анализа сейсмичности Курило-Камчатской дуги обосновано, что землетрясения магнитуды М = 7,75 повторяются в среднем через 140 ± 60 лет. Длительность сейсмического циклаT зависит от энергии землетрясенияЕ:

Существенным для прогноза землетрясений является то, что сейсмический цикл распадается на 4 основных стадии. Само землетрясение длится несколько минут и составляет стадию I. Затем наступает стадия II постепенно уменьшающихся по частоте появления и энергии афтершоков. Для сильных землетрясений она длится несколько лет и занимает около 10 % сейсмического цикла. Во время стадии афтершоков продолжается постепенная разгрузка очаговой области. Затем наступает длительная стадия сейсмического покоя, занимающая до 80 % всего времени сейсмического цикла. Во время этой стадии происходит постепенное восстановление напряжений. После того, как они снова приблизятся к критическому уровню, сейсмичность оживает и нарастает до момента следующего землетрясения. IV стадия активизации сейсмичности занимает примерно 10 % сейсмического цикла. Большинство предвестников землетрясений возникают на IV стадии.

Сейсмологические предвестники . Концепциюсейсмических брешей представил в современном виде С. А. Федотов. Он нашел, что афтершоковые области землетрясений не перекрывают друг друга. При этом следующие сильные землетрясения имеют тенденцию располагаться между очагами уже произошедшими. На этом основании был построен метод долгосрочного прогноза мест следующих землетрясений с учетом стадии сейсмического цикла и скорости накопления энергии в сейсмоактивной зоне.

Под сейсмической брешью следует понимать долговременное отсутствие сильных землетрясений на участке сейсмоактивного разлома между очагами уже произошедших землетрясений. Термин «долговременное» обозначает десятки и даже сотни лет. Между концами разрывов от очагов ранее произошедших землетрясений существуют повышенные напряжения, которые увеличивают вероятность следующего сейсмического события в этом месте. Сложность применения этого предвестника заключается в том, что с учетом очень короткой истории регистрации землетрясений, во-первых, трудно выявить места, где землетрясения уже происходили в далеком прошлом, во-вторых, на практике оказывается, что в сейсмоактивных районах обнаруживается значительное количество брешей, и не во всех можно установить стадию сейсмического цикла. Некоторые могут оказаться не сейсмоопасными участками в результате особенностей тектонического строения или вследствие неблагоприятно ориентированного напряженного состояния.

В отличие от сейсмической бреши, которая существует в сейсмоактивной области многие годы, иногда в III стадии сейсмического цикла на фоне нарастающей активизации сейсмичности возникает относительно кратковременноесейсмическое затишье . Детальный анализ данной ситуации позволяет предложить следующие основные правила выявления сейсмического затишья:

оценка однородности сейсмического каталога;

определение минимальной магнитуды, регистрирующейся без пропусков;

устранение групп и афтершоков;

количественная оценка величины и значимости аномалии;

количественное определение начала аномалии;

оценка размеров аномальной области.

В случае протяженного и довольно однородного по прочности сейсмоактивного разлома перенос напряжений на край разрыва от произошедшего землетрясения может способствовать образованию последовательности следующих землетрясений по цепочке вдоль разлома. Здесь уместна аналогия с постепенным скачкообразным удлинением трещины. Более общей причиноймиграции сейсмичности могут быть деформационные волны, распространяющиеся вдоль сейсмогенных поясов. Возможным источником деформационной волны выступает сильнейшее землетрясение прошлого. Изменение поля деформаций может способствовать инициированию землетрясений в тех местах, где накопились значительные тектонические напряжения. Деформационными волнами могут быть вызваны эффекты миграции сильных землетрясений, обнаруженные в Средней Азии и на Кавказе. Рассмотрим последовательность землетрясений с М > 6 на 700-километровом участке кавказского ответвления Северо-Анатолийского разлома. Началом миграции землетрясений, по-видимому, явилось Эрзурумское землетрясение1939 г.,М = 8. Процесс миграции распространялся в северо-восточном направлении со средней скоростью 12 км/год. В 1988 и 1991 гг. в соответствии с данной тенденцией произошли разрушительные землетрясения в Армении (Спитакское) и в Грузии (Рачинское). Явление миграции удачно используется для долгосрочного прогноза. Именно таким способом было предсказано Алайское землетрясение в Киргизии 1 ноября 1978 г.

Довольно часто встречается возникновениероев землетрясений.Роем называют группу землетрясений, незначительно отличающихся по магнитуде, вероятность появления которых в определенной пространственной ячейке за фиксированный интервал времени существенно превышает вероятность, следующую из закона случайного распределения. В качестве последнего принимается закон Пуассона. Чтобы отличать рой от последовательности афтершоков сильного землетрясения, принято следующее правило: если в группе землетрясений магнитуда главного толчка М р превышает магнитуду следующего по силе М р –1 на небольшую величину (М р – М р –1 = 0,3), то данная группа может идентифицироваться, как рой и следует ожидать главного землетрясения с магнитудой в два раза превышающейМ р .

Расстояние между соседними сейсмическими событиями в группе определяются взаимодействием полей напряжений их очагов. Группа из N или более землетрясений вычисляется в пространственно-временном окнеТ –R , границы которого (по времени и расстоянию) задаются следующим образом:

T (K ) = а ·10 bK ; (2.12)

R (K ) = c · L . (2.13)

где K – энергетический класс землетрясения, относительно которого определяются параметры пространственно-временного окна при нахождении группирующихся событий; L – длина разрыва в очаге землетрясения данного энергетического класса, которая находится по соотношению(2.7);а, b – эмпирические параметры модели, величинас = 3, что соответствует зоне влияния напряжений каждого разрыва на соседние и величине рассмотренного ниже концентрационного критерия разрушения твердых тел.

Прогностический параметр плотности сейсмогенных разрывов, являющийся аналогом концентрационного критерия разрушения при переходе к масштабам сейсмоактивного региона, основан на применении кинетической теории прочности твердых тел к горным породам. Считается, что землетрясение происходит после того, как в его очаговой области накопилась критическая концентрация разрывов меньшего размера. Для построения карт параметра плотности сейсмогенных разрывовK ср сейсмоактивная зона делится на перекрывающиеся элементарные объемыV, в каждом из которых рассчитываются значенияK ср за интервал времени ΔТ j , увеличивающийся с некоторым шагом Δt , по формуле:

, (2.14)

где N – число землетрясений в единице объема;L – средняя длина разрывов этих землетрясений, вычисляемая как

. (2.15)

Длина разрыва в очаге i- го землетрясения вычисляется по формуле (2.7).

Из (2.14) следует, что K ср после начала счета имеет высокие значения, постепенно уменьшающиеся по мере приближения сильного землетрясения. Для разных сейсмоактивных районов мира перед сильными землетрясениями в их очагах накапливается столько разрывов предыдущих размеров, что среднее расстояние между соседними разрывами равно утроенной величине их средней длины. В этих случаях происходит лавинообразное объединение накопленных разрывов, приводящее к формированию главного (магистрального) разрыва, вызывающего сильное землетрясение. Основу модели лавинно-неустойчивого трещинообразования (ЛНТ) составляют два явления: взаимодействие полей напряжения трещин и локализация процесса трещинообразования. Естественно при этом ожидать проявлениялокализации сейсмического процесса перед сильными землетрясениями. Она может быть найдена, если рассчитывать карты накопления числа сейсмических событий, энергии или поверхностей разрывов за последовательные промежутки времени.

Появлениефоршоков знаменует окончание III стадии сейсмического цикла и свидетельствует о завершающемся процессе локализации сейсмичности. В этом смысле форшоки представляют большой интерес, поскольку могут рассматриваться как краткосрочный предвестник землетрясения, точно указывающий местоположение гипоцентра. Однако пока не найдено надежных критериев выявления форшоков на фоне сейсмических событий. Поэтому форшоки идентифицируются, как правило, уже после произошедшего землетрясения, когда положение очага известно. В редких случаях перед главным толчком происходят настолько мощные серии форшоков, что они с высокой вероятностью указывают на возможное сильное землетрясение и используются для прогноза. Наиболее знаменательный случай такого рода имел место перед Хайченгским землетрясениемcМ = 7,3 (Китай) 4 февраля 1975 г.

В сейсмологической практике к форшокам относятся события, произошедшие за несколько секунд, минут, часов и, в крайнем случае, дней в очаговой области сильного землетрясения. Однако форшоками можно называть и события, случившиеся в очаговой области раньше, но с высокой степенью вероятности указывающие на процесс подготовки в этом месте сильного землетрясения. К таким форшокам могут быть отнесены явления, детально исследованные и названныеотдаленными афтершоками. Такого рода сейсмическим событиям дали следующее определение.

Пусть A – сильное землетрясение с магнитудойМ > М а , после которого имеют место афтершоки;

В – землетрясение в меньшем диапазоне магнитуд (М b <М <М c ), произошедшее в течение некоторого времениT а b после землетрясенияА на расстоянии не болееD а b от него;

С – готовящееся сильное землетрясение (М > М c ). ЗемлетрясенияВ иС располагаются вне области обычных афтершоков землетрясенияА. Гипотеза об отдаленных афтершоках состоит в том, что землетрясениеВ происходит в окрестности готовящегося землетрясенияС не случайно.

Для выявления не случайности появления события В в сейсмоактивном районе важно задать небольшой промежуток времениТ а b и умеренное расстояниеD а b , делающие маловероятным появление событияВ в данном пространственно-временном окне по сравнению с законом случайного распределения. Относительно слабые землетрясения, указывающие на место будущего, более сильного, возникают не только сразу после предыдущего сильного землетрясения, но и за короткий интервал времени перед ним. Они названы индуцированными форшоками и могут возникать на расстояниях в несколько сот километров от инициирующего их сильного землетрясения. Этот факт говорит о том, что при подготовке сильного землетрясения активизируется значительный объем земной коры сейсмоактивного района.Явления отдаленных афтершоков и индуцированных форшоков объясняются высокой чувствительностью к внешним воздействиям горной породы, находящейся в условиях, близких к потере устойчивости.

Геофизические, гидрогеодинамические и геохимические предвестники . Из рассмотрения моделей подготовки землетрясений (дилантно-диффузная модель (ДД), лавинно-неустойчивого трещинообразования (ЛНТ), модель неустойчивого скольжения, модель консолидации) следует, что этапы зарождения и развития очагадолжны сопровождаться неупругими деформациями горных пород. При этом наибольших изменений в поле деформаций земной коры следует ожидать в наиболее мягких участках представленных разломными зонами. В связи с этим рассмотрим гипотезу возникновениядеформационных аномалий . В сейсмически активном районе Копетдага и сейсмически спокойном Припятском прогибе, которые характеризуются мощными чехлами осадочных пород, были выявлены локальные аномалии вертикальных движений шириной порядка 1–2 км, формирующиеся за 10 –1 –10 лет при высокоградиентном характередвижений (10–20 мм/км год).

Обобщение результатов наблюдений привело к выводу о трех главных типах локальных аномалий:

1. Наиболее ярко проявляются аномалии γ-типа, представленные опусканием реперов в зонах тектонических разломов в условиях субгоризонтального растяжения.

2. При субгоризонтальном сжатии регистрируются аномалии β-типа, представляющие подъем поверхности на большей базе по сравнению с аномалиями γ-типа (региональный изгиб).

3. Аномалия имеет S -образную (ступенеобразную) форму. Все они развиваются на фоне более медленного квазистатического наклона поверхности при изменении региональных напряжений.

Рассмотрим пример аномалий γ-типа на Камчатке по профилю нивелирования длиной 2,6 км, пересекающему разломную зону. Профиль включает 28 пикетов. В интервале 1989–1992 гг. на нем проводились повторные наблюдения с частотой 1 раз в неделю. Были обнаружены вертикальные смещения земной поверхности амплитудой в несколько сантиметровпри точности измерений 0,1 мм. Ширина аномалий составляла от 200 до 500 м. Они не выявлены на той части профиля, которая находилась за пределами разломной зоны. Результаты измерений в последовательные интервалы времени показали, что они отражают пульсирующий характер величины аномалий. Было выявлено увеличение амплитуды аномалий перед землетрясениями, происходившими на расстоянии до 200км от профиля наблюдений. Однако локальные аномалии возникают не над всеми разломами. Кроме того, в отдельные интервалы времени они перестают развиваться, превращаясь из кинематических в статические. Отсюда следует, что для появления локальных аномалий нужно выполнение определенных условий изменения регионального поля напряжений и свойств материала (параметров) разломных зон, в пределах которых они возникают. В связи с этим такие аномалии уместно назвать параметрическими. Аномалия γ-типа может возникнуть, например, за счет изменения регионального поля напряжений и проседания пород в разломной зоне. Но проседание может иметь место и при неизменном региональном напряжении вследствие изменения свойств разлома, например, вследствие вариаций внутрипорового давления. Относительная деформация пород в зоне аномалии γ-типа может достигать величины 10 –5 1/год, что согласуется с полевыми наблюдениями.

Геомагнитным предвестникам землетрясений издавна уделялось большое внимание, так как вследствие существования пьезомагнитного эффекта и наличия в горных породах магнитных минералов изменения напряженного состояния должны отражаться в вариациях геомагнитного поля. Существуют две точки зрения на природу геомагнитных предвестников. Одна связывает их с электрокинетическими явлениями, вторая – с пьезомагнетизмом. Аналогичные геомагнитные наблюдения проводились в районе г. Ашхабада с определённой схемой расположения реперов. Оцененная среднеквадратичная ошибка измерений не превышала 0,5 нТл. Определены вариации изменений полного вектора геомагнитного поля Т по трем профилям перед землетрясением 7 сентября 1978 г. с магнитудой 4,4. Определено, что аномальные изменения бухтообразной формы величиной до 6 нТл проявились за 6–8 месяцев до сейсмического толчка на всех реперах по профилям, идущим вдоль разломных зон. В то же время амплитуда аномалий убывала по мере удаления пикета от разлома. Время развития аномалийТ совпало с вариацией наклона земной поверхности, зарегистрированной наклономером, установленном в шурфе возле одного из реперов. Это дает большую уверенность приписать геомагнитные вариации тектоническому происхождению. Расчеты и сопоставление с измерениями теллурических токов привели к выводу, что аномалии вызваны электрокинетическим эффектом изменяющегося по мощности фильтрационного потока подземных вод. Наибольшие изменения последнего происходили в зонах разломов.

Геомагнитные предвестники пьезомагнитной природы были выявлены в Прибайкалье, а физическая природа их подтверждена количественными расчетами. Выяснено также, что вариации механических напряжений в горных породах величиной 0,01 МПа за счет сезонных колебаний уровня озера Байкал приводят к изменениям регистрируемого в прибрежной зоне магнитного поля Т величиной в 1 нТл.

После проведения первых работ по применению на Гармском полигоне дипольного зондирования на постоянном токе и выявившегопредвестники электросопротивления , работы в этом направлении активно проводились на Гармском полигоне, а также в Киргизии и в Туркмении. Глубинные электрические исследования проводятся методами частотного зондирования (ЧЗ) и зондирования становлением (ЗС).

Первые систематические работы с целью обнаруженияэлектротеллурических предвестников (ЭТП) проведены в начале 60-х гг. на Камчатке. Особенностью их была синхронная регистрация на нескольких станциях, причем на каждой станции для исключения приэлектродных процессов использовался ряд измерительных линий и неполяризующиеся электроды. Было обнаружено, что перед землетрясениями Камчатки регистрируются аномальные изменения разности потенциалов, не коррелирующиеся с вариациями геомагнитного поля и метеорологическими факторами. Работы в Гармском районе и на Кавказе подтвердили основные черты такого типа аномалий: бухтообразное изменениеЕ величиной в первые десятки милливольт вне зависимости от длины измерительной линии и большое «дальнодействие» (до нескольких сотен километров от эпицентра землетрясения). Кроме того, показано, что аномалии ЭТП приурочены к разломам земной коры и являются «параметрическими», т. е. связаны с изменениями электрокинетических и электрохимических свойств пород в разломной зоне под действием медленно меняющегося поля напряжений.

При поискеэлектромагнитных предвестников в радиоволновом диапазоне регистрировалась скорость счета электромагнитных импульсов (ЭМИ). При проведении работ использовался набор частот, но наиболее интересные результаты получены в диапазоне 81 кГц. Известны аномалии скорости счета перед тремя землетрясениями в Японии. Эпицентральные расстояния составляли первые сотни километров, что обеспечивало регистрацию ЭМИ отраженным лучом, если считать, что сигнал появлялся в эпицентральной области. Уровень огибающей скорости счета начинал увеличиваться за 0,5–1,5 ч до сейсмического толчка и резко спадал до исходного уровня сразу после землетрясения. Оказалось, что в эпицентральной области землетрясения может отмечаться как повышение, так и понижение активности ЭМИ перед землетрясением. Так, например, когда за 2 сут до землетрясения в Карпатах 4 марта 1977 г. сМ = 7 и глубиной очага 120 км отмечалось постепенное увеличение числа сигналов на приёмную станцию в азимуте, указывавшем на эпицентр. Наличие удаленной станции позволило заключить, что это увеличение вызвано лучшим прохождением сигналов далеких гроз над эпицентральной областью. Заметим, что кроме общего увеличения числа сигналов наблюдается усиление размаха в суточном ходе. Дальнейшие исследования показали, что перед Алайским землетрясением 1 ноября 1978 г. сМ = 7 и Спитакским землетрясением 7 декабря 1988 г. сМ = 6,9, наоборот, отмечалось замирание прохождения сигналов над эпицентральными областями. Все это привело к выводу, что предвестники в электромагнитных импульсах могут являться отражением изменившихся геоэлектрических условий над эпицентром готовящегося землетрясения, например, вследствие аномальной ионизации атмосферы.

Наибольшее число зарегистрированных надежных предвестников землетрясений, за исключением сейсмических, относится к измерениям уровня подземных вод. Это связано с двумя причинами. Во-первых, скважина и даже колодец являются чувствительными объемными деформометрами и прямо отражают изменения напряженно-деформированного состояния в земле. Во-вторых, только в гидрогеологии накоплены длинные ряды наблюдений на обширной сети скважин и колодцев. Несмотря на разнообразие форм проявления гидрогеодинамического предвестника , в эпицентральной области готовящегося землетрясения более часто отмечается следующая последовательность: за несколько лет до сильного землетрясения наблюдается постепенно ускоряющееся падение уровня, за которым следует резкий подъем в последние дни или часы до толчка. Этот тип проявляется также в дебите источников или самоизливающих скважин. Обычно величина аномальных изменений уровня подземных вод в скважинах перед землетрясением составляет несколько сантиметров, но отмечались и уникальные случаи высокоамплитудных аномалий.

В период двух Газлийских землетрясений 1976 г. с магнитудой 7 и 7,3 была зарегистрирована аномалия величиной 15,6 м, причем скважина находилась на расстоянии 530 км от очагов землетрясений. Было дано одно из возможных объяснений этому явлению. Пусть наблюдательная скважина вскрывает два или больше водоносных горизонтов или систем трещин. Если они разделены слабопроницаемыми слоями горных пород, то пьезометрические уровни Н и водопроводимостиТ таких горизонтов будут различаться между собой. Для системы двух горизонтов уровень воды в скважине будет определяться соотношением

. (2.16)

Если в процессе тектонической деформации нарушается контакт скважины с одним из горизонтов или, наоборот, открывается ранее изолированный горизонт, это может привести к скачкообразному изменению уровня воды в скважине. Данный механизм является конкретным проявлением более общего закона, описывающего нелинейность системы при достижении порога перколяции.

Остановимся на пространственных особенностях гидрогеодинамических (ГГД) предвестников. На основании измерений уровня воды рассчитывается ряд коэффициентов, важнейшим из которых является изменение объемной деформации пород. Анализ карт ГГД – поля Кавказа в период Спитакского землетрясения показал, что, начиная с августа 1988 г., наметилась тенденция развития структуры растяжения в районе будущего землетрясения. Развитие Спитакской структуры шло в сторону увеличения ее размеров при одновременном повышении интенсивности деформаций. К 1 декабря 1988 г. структура разрослась таким образом, что ее удлиненная ось достигла 400 км, а ширина составила около 150 км. Центр структуры, характеризовавшийся падением уровня воды в скважинах, находился в эпицентральной зоне будущего землетрясения. Максимум интенсивности аномалии и размеров структуры растяжения наблюдался за 11 ч до землетрясения. За 40 мин до толчка начался процесс уменьшения аномалии.

Геохимические предвестники указывают на аномальное увеличение содержания радона в термоминеральной воде глубинного происхождения (перед Ташкентским землетрясением 25 апреля 1966 г., М = 5,1). О большой вероятности связи аномалии с землетрясением свидетельствовало быстрое возвращение содержания радона к нормальному уровню после толчка. Наиболее долговременные ряды наблюдений на системе скважин получены на Ташкентском прогностическом полигоне. Это позволило выявить прогностические уровни по ряду параметров и способствовало в комплексе с геофизическими методами выдаче краткосрочного прогноза Алайского землетрясения 1 ноября 1978 г. с магнитудой 7. Одним из препятствий применения геохимических способов для прогноза землетрясений является не установленные эффективная чувствительность к полю деформаций и размеры области, ответственной за наблюдаемые вариации. Геохимические методы прогноза могут применяться как дополнительные к другим, прежде всего, гидрогеодинамическим и деформационным.

Многим землетрясениям, особенно крупным, предшествовали некоторые явления, не характерные для данной местности. В результате систематизации данных по крупным землетрясениям XVII - XXI веков, а также по летописей, в которых упоминаются события, связанные с землетрясениями был установлен ряд некоторых типичных явлений, которые могут служить оперативными предвестниками землетрясений. Так как землетрясения имеют различные механизмы возникновения, происходят в разных геологических условиях, в разное время суток и года сопутствующие явления, служащие предвестниками, тоже могут быть различными.

Практически все явления предвестники по состоянию на начало 2010-х годов имеют научное объяснение. Тем не менее, использовать их для оперативного оповещения удается крайне редко, поскольку явления-предвестники не являются специфичными именно для землетрясений. Например, атмосферные световые явления в атмосфере могут возникать в периоды геомагнитных бурь или иметь техногенную природу, а беспокойство животных может быть вызвано надвигающимся циклоном.

В настоящее время выделяют следующие явления, которые могут служить предвестниками землетрясений: форшорки, аномальные атмосферные явления, изменения уровня грунтовых вод, беспокойное поведение животных.

Основная статья: Форшок

Форшоки - умеренные землетрясения, которые предшествуют сильному. Высокая форшоковая активность в сочетании с другими явлениями может служить оперативным предвестником. Так, например, Китайское сейсмологическое бюро на этом основании начало эвакуацию миллиона человек за день до сильного землетрясения в 1975 году.

Хотя половине крупных землетрясений предшествуют форшоки, из общего числа землетрясений форшоками являются только 5-10 %. Это часто порождает ложные предупреждения.

Оптические явления в атмосфере

С давних времен замечено, что многим крупным землетрясениям предшествуют необычные для данной местности оптические явления в атмосфере: сполохи, похожие на полярные сияния, световые столбы, облака странной формы. Появляются они как непосредственно перед толчками, но иногда могут происходить и за несколько суток. Так как эти явления обычно замечаются случайно людьми, не имеющими специальной подготовки, которые не могут дать объективного описания до массового появления мобильных фото- и видеоустройств анализ такой информации весьма сложен. Лишь в последнее десятилетие, с развитием спутникового мониторинга атмосферы, мобильной фотографии и автомобильных видеорегистраторов необычные оптические явления перед землетрясением были надежно зафиксированы, в частности перед Сычуаньским землетрясением.

По современным представлениям необычные оптические явления в атмосфере связаны с такими процессами в зоне будущего землетрясения как:

Выход в атмосферу газов из паров из напряженных горных пород. Вид и характер явлений зависят от исходящих газов: горючие метан и сероводород могут давать факела пламени, что наблюдалось, например, перед Крымскими землетрясениями, радон под действием собственной радиоактивности флюоресцирует голубым светом и вызывает флюоресценцию других атмосферных газов, сернистые соединения могут вызывать хемилюминисценцию.

Электризация напряженных горных пород, что вызывает электрические разряды на поверхности земли и в атмосфере в районе будущего очага.

Изменение уровня грунтовых вод

Постфактум установлено, что многим крупным землетрясениям предшествовало аномальное изменения уровня грунтовых вод, как в колодцах и скважинах, так в ключах и родниках. В частности перед Чуйским землетрясением местами на поверхности почвы внезапно появились ключи из которых стала достаточно быстро поступать вода. Тем не менее, значительная часть землетрясений не вызывала предшествующих изменений в водоносных горизонтах.

Беспокойное поведение животных

Достоверно засвидетельствовано, что основным толчкам многим сильным землетрясениям предшествует необъяснимое беспокойство животных на значительной территории. Такое наблюдалось, например, при Крымских землетрясениях 1927 года, перед Ашхабадским землетрясением. Но, например, перед Спитакским землетрясением и землетрясением в Нефтегорске массового аномального поведения животных замечено не было.