О РАЗВИТИИ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРОГНОЗУ

оглавление

ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ, ЦУНАМИ И ВУЛКАНИЧЕСКИХ

ИЗВЕРЖЕНИЙ НА ДАЛЬНЕМ ВОСТОКЕ^*

С.А. Федотов

Учеными Дальневосточного научного центра АН СССР в сотрудничестве с учеными других учреждений Академии наук СССР, академий наук союзных республик, а также с работниками производственных организаций достигнуты успехи в прогнозе землетрясений, цунами и вулканических извержений на Дальнем Востоке. Президиум Академии наук СССР обсудил на своем заседании вопрос о развитии исследований в этой области. С докладом выступил директор Института вулканологии ДВНЦ АН СССР член-корреспондент АН СССР С.А. Федотов.

Доклад

Дальний Восток, сказал докладчик, протянулся в меридиональном направлении на 4500 км от мыса Дежнева до Владивостока, занимая около ¹/₇ площади Советского Союза; население региона свыше 6 млн. человек. К территории Дальнего Востока относится Курило-Камчатская островная дуга, вдоль которой располагаются глубоководный желоб, пояса действующих вулканов и землетрясений протяженностью 1900 км. Сейсмичность здесь - одна из самых высоких на Земле и немного уступает лишь Северо-Восточной Японии; 80% землетрясений в нашей стране и практически все цунами, затрагивающие ее территорию, приходятся на Курило-Камчатскую область; в ней насчитывается 77 действующих вулканов (более 10% всех вулканов мира, расположенных на суше). Цунами и извержений вулканов не бывает в других районах Дальнего Востока, однако сейсмичность многих из них примерно столь же высока, как на Кавказе. Достаточно сказать, что города Южно- Сахалинск, Магадан и Находка находятся в семибалльной сейсмической зоне.

Главную опасность представляют землетрясения. Самые мощные из них происходят в Курило-Камчатской области (протягивается вдоль восточного побережья Камчатки и Курильских островов) на границе блоков земной коры и верхней мантии Тихого океана и Азиатского континента. Зоны очагов землетрясений достигают 600-700 км в длину. Разрывы, сколы горных пород, возникающие при землетрясениях, вспарывают эти зоны со скоростью около 3,5 км/с в течение десятков секунд или нескольких минут. Столь же долго продолжаются сами сильнейшие землетрясения, чем они и отличаются от большинства землетрясений в Средней Азии, где время разрушительных колебаний измеряется секундами.

К настоящему времени проделана значительная работа по оценке опасности землетрясений на Дальнем Востоке. В 1980 г. опубликована новая карта сейсмического районирования СССР, в том числе и Дальнего Востока. На ней показаны области, где сила землетрясений достигает 5, 6, 7, 8, 9 и 10 баллов. Самая высокая сейсмичность среди городов СССР наблюдается в Петропавловске-Камчатском — девятибалльная зона, в которой девятибалльные землетрясения происходят в среднем раз в 300 лет. В семибалльной зоне расположены другие большие города Дальнего Востока (Южно-Сахалинск, Магадан, Находка), а также восточный участок БАМа. На карте уточнены границы зон разных баллов, указана средняя повторяемость землетрясений. Карта утверждена Госстроем СССР и служит нормативным документом для ведения сейсмостойкого строительства.

Балльность землетрясений на карте указана для средних грунтов, от которых в значительной степени зависит сила землетрясения. В Петропавловске-Камчатском, например, сила землетрясений на обводненных наносных грунтах бывает в 24 раза больше, чем на скальных (в среднем в 7-8 раз). Поэтому в дополнение к картам сейсмического районирования строятся карты сейсмического микрорайонирования городов и площадок больших сооружений.

Для проектирования зданий и сооружений надо знать спектр и продолжительность колебаний при землетрясениях. Получение этих сведений в девятибалльной зоне на Камчатке и Курильских островах обеспечивается сетью приборов, которые регистрируют сильные движения земной коры и работают в ждущем режиме. Кроме того, предложена теоретическая модель очага землетрясения, позволяющая рассчитывать убывание силы землетрясений разной магнитуды с расстоянием.

Ведутся работы по долгосрочному и краткосрочному сейсмическому прогнозу.

В 1963-1965 гг. был разработан способ определять вероятные места будущих сильнейших землетрясений. Эта так называемая методика сейсмических брешей сейчас широко применяется сейсмологами США, Японии, Мексики и других стран. Главную техническую трудность при работе по этой методике представляет необходимость точно определять местонахождение очагов уже происшедших землетрясений. В течение последних 20 лет в Курило-Камчатском сейсмическом поясе было пять землетрясений с магнитудой М ³ 7³/₄. Все они произошли в тех местах, которые считались опасными по долгосрочному прогнозу. Таким образом, можно считать, что задача определения мест будущих сильнейших курило-камчатских землетрясений в первом приближении решена.

Сильнейшие землетрясения у берегов Камчатки и Курильских островов повторяются в одном месте в среднем через 140±60 лет. При сопоставлении хода сейсмического процесса в очагах многих землетрясений с магнитудой М³ 7³/₄до и после момента этих землетрясений было определено, каким образом меняется сейсмическая деятельность в промежутке времени между двумя такими землетрясениями. Знание свойств сейсмического цикла позволяет предсказывать вероятное количество слабых и средних землетрясений на всех участках Курило-Камчатской дуги. Такие прогнозы составляются в течение 20 лет на пять лет вперед для 13 участков Курило-Камчатской дуги. Оправдываются эти прогнозы на 70%.

Неожиданную помощь в прогнозе времени сильных землетрясений оказало открытие зависимости числа этих землетрясений от фазы лунного прилива с периодом 18,6 года, который вызван вращением плоскости орбиты Луны. Эта выведенная эмпирически зависимость позволяет определять периоды времени, более опасные и менее опасные в отношении угрозы землетрясений. Для Камчатки очередной опасный период начался в нюне 1983 г. и продлится до июня 1990 г. Вероятность возникновения землетрясений с магнитудой М ³ 7³/₄повышается в такие периоды до 83%; в спокойные фазы эта вероятность составляет только 9%.

Положение главных источников опасности известно. Это прежде всего верхняя часть сейсмофокального слоя (или зоны Беньоффа), которая в Авачинском заливе отстоит на 80-90 км от Петропавловска-Камчатского. Именно здесь, согласно прогнозу, должно произойти землетрясение, которое при магнитуде М =8-8¹/₄ вызовет колебания силой девять баллов в Петропавловске (другие источники опасности - Авачинский и Корякский вулканы).

Что касается краткосрочного прогноза землетрясений, то исследования в этом направлении, как сообщил С.А. Федотов, начались на Камчатке в 1965 г. небольшими силами Тихоокеанской сейсмической экспедиции Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта АН СССР. В последние годы работы были существенно расширены. В поисках предвестников землетрясений изучаются статистика землетрясений, закономерности размещения их очагов, спектры землетрясений, деформации земной поверхности, аномалии земных токов, дебит и химический состав подземных вод.

Работы по поиску предвестников землетрясений сосредоточены возле Петропавловска-Камчатского и на Южных Курильских островах. Там созданы системы телеметрических сейсмических и наклономерных станций, ведутся повторные геодезические измерения, измерения магнитного поля, сейсмическое просвечивание и др. В краткосрочном прогнозе есть некоторые успехи. Несколько раз делались удачные прогнозы землетрясений на Южных Курильских островах, для чего использовались наблюдения за уровнем подземных вод в скважинах.

Обнаружено, что “хвосты” записей землетрясений, или сейсмическая реверберация, становятся короче перед сильными землетрясениями. Использование такого предвестника позволяет уточнить до нескольких месяцев время сильных землетрясений, ожидаемых по долгосрочному прогнозу. Однако пока еще не существует надежного способа краткосрочного прогноза времени сильных курило-камчатских землетрясений, места которых определяются по долгосрочному прогнозу. Прогноз с точностью до недель или дней — задача пока нерешенная.

Затем С.А. Федотов рассказал о состоянии дел с прогнозом цунами и вулканических извержений. Волны цунами зарождаются в эпицентральной области сильных подземных землетрясений, когда происходят большие перемещения участков морского дна, или при подводных вулканических взрывах и взрывах вулканических островов. Волны цунами распространяются со скоростью до 700-1000 км/ч на глубокой воде и со скоростью несколько десятков километров в час на мелководье. Высота волны цунами может достигать 20 м и более. Большие цунами грозят опустошением участков побережья, которые расположены на высоте менее 20 м над уровнем моря. Так как цунами приходят к побережью Камчатки и Курильских островов не ранее, чем за 15-20 минут после землетрясения, появляется возможность оповестить население и флот об угрозе.

Проведено районирование опасности цунами. Оно учитывается при строительстве на тихоокеанском побережье Курильских островов и Камчатки. В СССР, Японии и США существуют службы цунами. Такая служба в нашей стране создана силами Академии наук СССР, Госкомгидромета и Министерства связи СССР. С 1980 г. создается Единая автоматическая система цунами, которая должна надежнее и быстрее, чем ныне, оповещать об угрозе цунами.

Катастрофические цунами — явление редкое. Последнее из них было на Курило-Камчатском побережье в ноябре 1952 г. Небольшие цунами случаются чаще: после 1952 г. на Курильских островах и Камчатке было 10 цунами высотой около 2 м, а в 1963 и 1969 гг. в отдельных местах отмечались волны высотой до 15 м.

Не все сильные землетрясения вызывают волны цунами, вследствие чего велик процент ложных тревог (80%). Сокращение таких тревог остается одной из главных задач службы цунами.

Теперь о вулканических извержениях, продолжал докладчик. Они бывают двух типов: центральные и трещинные. При извержениях центрального типа вулканические лавы, шлак, пепел и газы поступают на поверхность из неглубокого магматического очага, существовавшего до извержения, поднимаются из глубины к кратеру по уже имеющемуся жерлу. При трещинных извержениях под давлением магмы образуются новые вулканические каналы, трещины. Кстати, трещинным было известное извержение вулкана Толбачик в 1975-1976 гг.

Особо опасная разновидность извержений центрального типа — направленные вулканические взрывы. Часто они длятся несколько десятков минут, выбрасывая насыщенную газами расплавленную массу, которая распространяется лавиной на десятки километров, уничтожая все на своем пути. Такие взрывы на Камчатке в нашем столетии были три раза: в 1907 г. в кальдере Ксудач, в 1956 г. на вулкане Безымянный и в 1964 г. на вулкане Шивелуч. 20 мая 1980 г. подобный взрыв снес верх вулкана Сент-Хеленс на западе США.

В физическом плане задача предсказания времени извержения центрального типа похожа на задачу о прорыве трубопровода высокого давления. Можно провести параллель между нарастанием акустической эмиссии, тресков в стенке трубы перед ее разрывом с нарастанием числа землетрясений при разрушении пробки в жерле вулкана перед его извержением. В ряде случаев удавалось предсказать день разрушения этой пробки и начала извержения, как это было перед упомянутым извержением вулкана Шивелуч в 1964 г. Однако случаются и неожиданные извержения. Таким был для американских исследователей взрыв вулкана Сент-Хеленс 20 мая 1980 г. Не имело заметных сейсмических предвестников и сильное вершинное извержение вулкана Алаид па острове Атласова (Северные Курилы), начавшееся 28 апреля 1981 г.

Лучше обстоит дело с прогнозом трещинных вулканических извержений. Создана их теория. Широко известен успешный прогноз начала большого трещинного Толбачинского извержения и времени образования последующих прорывов этого извержения. Позже было предсказано побочное извержение Ключевского вулкана на Камчатке, которое произошло 5 марта 1980 г.; 8 марта 1983 г. точно оправдался прогноз его нового побочного извержения.

Таким образом, на Дальнем Востоке основательно изучена опасность землетрясений, цунами, вулканических извержений, и есть реальные успехи в их прогнозе. Однако во всех направлениях работы необходимо еще много сделать, прежде чем положение можно будет считать удовлетворительным. Докладчик перечислил важнейшие нерешенные задачи.

Предстоит уточнить сейсмическое районирование восточной зоны БАМа, шельфа Северного Сахалина в районе морских нефтепромыслов и в районе Пенжинской губы Охотского моря, где возможно сооружение гигантской приливной электростанции. Надо изучать движения грунта при сильных землетрясениях. Необходимо совершенствовать долгосрочный сейсмический прогноз, искать и исследовать предвестники землетрясений, которые позволили бы делать краткосрочный прогноз. Следует улучшать надежность службы цунами, добиваться уменьшения в два-три раза ложных тревог.

Нужно выполнить районирование вулканической опасности, совершенствовать существующую и разрабатывать новую методику прогноза вулканических извержений разного типа, вести подготовку к созданию службы прогноза извержений. Необходимо также совершенствовать сейсмостойкое строительство на Дальнем Востоке.

Для решения всех этих задач следует усилить исследования, создав соответствующие технические средства и условия для их выполнения. В частности, требуется укрепить и расширить сеть сейсмических и геофизических станций на Дальнем Востоке, которая здесь развита хуже, чем в других районах страны. На Дальнем Востоке работают только 54 сейсмические и геофизические станции — меньше, чем в одном Таджикистане. Большое значение имела бы организация при Институте вулканологии опытного производства со специализированным ОКБ — оно необходимо, чтобы оснастить вулканологические обсерватории современным оборудованием.

Выступления

Вице-президент Академии наук СССР академик А.Л. Яншин, выступая в ходе обсуждения доклада, подчеркнул, что ученые Дальнего Востока достигли определенных успехов в прогнозе времени землетрясений. Основываясь главным образом на данных сейсмических наблюдений, Институт вулканологии с большой точностью — до нескольких дней — предсказывал начало вулканических извержений. Сделано это было за несколько месяцев до извержения, что позволило подготовиться, например, к началу извержения Толбачика, куда сумели прибыть не только ученые, но и представители прессы и кино. С большой точностью было предсказано извержение Ключевского вулкана. Положено также начало успешным прогнозам цунами путем установки датчиков на морском дне.

Необходимо продолжать, сказал А.Л. Яншин, ведущиеся сейчас физические исследования по прогнозу землетрясений. Но при выборе краткосрочных критериев прогноза нужно учитывать не только теорию очага землетрясения, но и геологическую обстановку возникновения землетрясений. Применительно к Дальнему Востоку можно говорить о трех генетически различных типах землетрясений. Первый - землетрясения, предшествующие вулканическим извержениям и связанные с поднятием столба расплава с глубин 100-120 км. Это небольшие по силе землетрясения.

Второй тип землетрясений связан с пододвиганием под земную кору азиатского материка по наклонной в сторону этого материка плоскости Заварицкого - Беньоффа. Именно в этой плоскости или, вернее, в этой наклонной зоне сосредоточено максимальное количество очагов землетрясений Дальнего Востока. В основном здесь господствуют напряжения сжатия, хотя в верхней части земной коры вследствие ее изгибания местами появляются и напряжения растяжения. Третий тип землетрясений связан со сдвиговыми перемещениями по той же плоскости Беньоффа. Совершенно очевидно, что поиски предвестников у этих трех генетических типов землетрясений должны быть различными. Например, появление большого количества гелия в воде, изменения уровня грунтовых вод и электропроводности в верхней части земной коры - признаки, предшествующие землетрясениям, вызываемым ее растяжениями. Этих признаков не будет при землетрясениях другого типа.

А.Л. Яншин высказал упрек в адрес Института вулканологии, который почти прекратил исследования по истории вулканизма Камчатки и Курильской гряды. Для правильной оценки многих вопросов необходимо знать размещение очагов землетрясений, историю вулканизма региона на последнем отрезке геологического времени. Эти работы надо вести в прежнем объеме и, может быть, даже усилить.

В.И. Кейлис-Борок (Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта) высказал мысль, что интерпретация наблюдательных данных, на которых основывается прогноз землетрясений, наряду с традиционными геолого- геофизическими данными требует использования теории динамических систем, нелинейной механики, коллоидной химии, теоретической петрохимии на границе с кристаллографией. Каждый раз, когда в предсказании землетрясений получают новые результаты, кажется, что победа вот-вот, за углом. Нам и дальше так будет казаться, но надежного прогноза не появится, пока не переменится подход к проблеме, пока она не будет решаться в атмосфере физического исследования.

Член- корреспондент АН СССР С.Л. Соловьев рассказал о существенном успехе в разработке защитных мер против цунами. В 1980 г. гидрофизической обсерватории Сахалинского комплексного научно-исследовательского института ДВНЦ АН СССР на острове Шикотан удалось зарегистрировать цунами в открытом океане. Датчик давления, установленный на глубине порядка 100 м, был соединен 20-километровым кабелем с обсерваторией, персонал которой за час до подхода цунами к берегу наблюдал весь процесс прохождения этих волн по показанию аналогового самописца. Сделанная запись укрепляет уверенность в том, что путем регистрации цунами в открытом океане можно создать систему оповещения об этом катастрофическом явлении, работающую почти со 100%-ной надежностью.Для изучения курило-камчатских землетрясений очень важно создать постоянно действующую телеметрическую систему донных сейсмографов, ибо основная масса очагов землетрясений в Курило- Камчатской сейсмической зоне расположена на морском дне.

Хотя существующие модели подготовки землетрясений, сказал Г.А. Соболев (Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта АН СССР), и впитали в себя все, что есть лучшего в области кинетической теории прочности, усталостной прочности, разрушения неоднородных сред — тем не менее, они слишком общи. Чтобы их конкретизировать, довести до возможности использования в прогнозах, нужно больше экспериментальных фактов. В проблеме краткосрочного прогноза землетрясений основная трудность состоит в том, что принципиально невозможно установить момент наступления механической неустойчивости неоднородной среды. По-видимому, надо оценивать с определенной точностью интервал времени, в котором может быть землетрясение, а дальше искать пути инициирования землетрясения.

Президент Академии наук СССР академик А.П. Александров, подводя итоги обсуждения доклада, обратил внимание на необходимость рассмотреть деятельность академических учреждений в этой области в других регионах страны.

Постановление Президиума АН СССР

В постановлении Президиума Академии наук СССР одобрен опыт работы Института вулканологии, Сахалинского комплексного научно-исследовательского института (СахКНИИ) и Северо-Восточного комплексного научно-исследовательского института (СВКНИИ) ДВНЦ АН СССР по прогнозу землетрясений, цунами и вулканических извержений, организации совместных работ по этим проблемам с другими учреждениями Академии наук СССР, академий наук союзных республик, производственными организациями страны.

Институту вулканологии, СахКНИИ и СВКНИИ ДВНЦ АН СССР как ведущим сейсмологическим подразделениям на Дальнем Востоке поручено совместно с Институтом физики Земли им. О.Ю. Шмидта АН СССР расширить объем исследований по прогнозу землетрясений, цунами и вулканических извержений, особенно в районах интенсивного промышленного освоения территорий и акваторий Дальнего Востока; усилить исследования по поиску краткосрочных предвестников землетрясений различного генетического типа; предусмотреть в планах выполнение работ по оценке сейсмоопасности важных народнохозяйственных объектов; разработать и внедрить новые методы прогноза вулканических извержений, основанные на комплексных геофизических, геохимических и геодезических наблюдениях.

Решено просить Главное управление геодезии и картографии при Совете Министров СССР усилить работы по геодинамике, изучению деформаций земной коры и извержений вулканов на Дальнем Востоке геодинамическими методами и методами гравиметрии в районах высокой сейсмической активности и вулканизма, в первую очередь в районе Петропавловска-Камчатского и других населенных пунктов.

Совету АН СССР по автоматизации научных исследований и Междуведомственному совету АН СССР по сейсмологии и сейсмостойкому строительству поручено предусмотреть обеспечение геофизических и сейсмологических обсерваторий, станций и полигонов АН СССР на Дальнем Востоке современным геофизическим и сейсмологическим оборудованием, приборами, средствами вычислительной техники и автоматизации, телеметрии и обработки информации.

^*Напечатано в журнале "Вестник АН СССР”: О развитии исследований по прогнозу землетрясений, цунами и вулканических извержений на Дальнем Востоке // Вестник АН СССР. 1984. № 2. С. 2-3. Этот доклад был сделан С.А. Федотовым 24 марта 1983 г. на заседании Президиума АН СССР по представлению Секции наук о Земле и Дальневосточного научного центра АН СССР. В “Вестнике АН СССР” были опубликованы доклад, выступления и содержание важного постановления Президиума АН СССР, принятого по нему. Сделанный обзор состояния исследований и проблем сохраняет свое значение. К сожалению, начавшаяся через несколько лет “перестройка” помешала выполнению многих планов. (Прим. автора).

наверх