Дрожь земли: как ученые предсказывают землетрясения

Землетрясения ежедневно происходят по всему миру. Некоторые из них остаются незамеченными из-за низкой амплитуды, другие же могут привести к серьезным разрушениям. Сегодня ученые пытаются разработать надежные методы прогноза стихийного бедствия. Для этого они тестируют научные гипотезы и изучают данные сейсмической активности в самых разных местах планеты.

Какие новаторские исследования проводят российские специалисты в этой области? И с помощью каких инструментов можно повысить надежность прогнозов? На эти и другие вопросы в интервью порталу наука.рф ответил директор Камчатского филиала Единой геофизической службы Российской академии наук (РАН), кандидат физико-математических наук Данила Чебров.

 — Какие методы прогноза землетрясений сегодня чаще всего используют? Насколько они эффективны?

 — Есть довольно большое количество методов, почти все они основаны на определении предвестников землетрясений (закономерностей физического процесса, предшествующего появлению землетрясения — прим. ред.). Однако до практического применения мы, как и коллеги в других странах, увы, пока не дошли.

В свое время работы по прогнозу были свернуты, и внимание ученых сосредоточилось на пассивной сейсмической безопасности: хорошем районировании, укреплении домов, подготовке систем безопасности. В последние годы маятник качнулся в обратную сторону, в том числе благодаря новым методам дистанционного зондирования Земли. Но эти работы так устроены, что получить результат сразу невозможно. Землетрясения — все же нечастое явление, особенно высокой магнитуды. В случае мелких землетрясений аномалии менее значительные, а значит нужна достаточно детальная сеть наблюдений. Такую можно развернуть только в маленьком регионе, где события все равно окажутся редкими. В этом вопросе всегда ищут некий баланс.

С точки зрения науки интересно было бы записать сильное землетрясение, чтобы выявить и подтвердить наиболее надежные предвестники. Но с точки зрения безопасности людей очень хорошо, что до сих пор за всю историю детальных инструментальных наблюдений по-настоящему масштабного землетрясения у нас на Камчатке не было.

 — А насколько наука в целом продвинулась в точности предсказаний?

 — Среднесрочный прогноз делать легче, чем краткосрочный. Однако для МЧС, например, такие формулировки практической ценности не представляют. А вот с долгосрочным все гораздо лучше. Например, на горизонте планирования 50 лет можно довольно точно предсказать, каких землетрясений ожидать. Но даже в этих случаях природа умудряется подкидывать «сюрпризы», и они происходят в местах, где такого вообще не прогнозировали, или, скажем, магнитуда оказывается выше, чем ожидалось.

На самом деле все это связано с тем, что мы достаточно плохо знаем Землю. По сути, о недрах нашей планеты известно едва ли не меньше, чем о космосе. Поэтому все время ученые сталкиваются с необычными явлениями.

 — И все же, есть ли методы прогноза, которые вам видятся наиболее перспективными?

 — Интересны те, что связаны с изучением особенностей сейсмического режима, того, как в пространстве и времени происходят землетрясения и как устроено распределение их энергии. Представьте себе каталог землетрясений с их параметрами, статистикой. Мы исходим из предположения, что на больших промежутках времени свойства режима не меняются. Но замечено, что перед землетрясениями в определенные моменты они существенно отличаются от средних.

Например, многим известно такое понятие как «сейсмическое затишье». Этот эффект удалось показать в лабораторных условиях: когда кубик раздавливали под прессом, следили за акустической эмиссией в образце. Перед самым началом разрушения отмечалось, что она пропадает. Так что такой эффект и правда наблюдается на всех масштабных уровнях. Вопрос в том, как подобные явления идентифицировать и использовать для практического применения.

Еще одно интересное направление — геолого-геофизические и гидрофизические предвестники. Они основаны на изучении физических параметров подземных вод по сети скважин. Здесь мы следим за уровнем воды, а также ее электропроводностью, температурой, изменением химического состава. По всем этим видам наблюдений ищем предвестники, строим прогностические методики.

В целом, за все время работы нам удалось получить прогнозные заключения по более чем двадцати видам методик. На далекой дистанции самые лучшие методы дают результат в два раза лучше, чем если бы вы угадывали случайно. Хотя, конечно, для практического применения нужно достигать более высокой эффективности.

 — На II Конгрессе молодых ученых (КМУ) в 2022 году вы упомянули необычный эксперимент на стыке сейсмологии и нейробиологии, который ведете совместно с Южным федеральным университетом. В чем его суть?

 — Это довольно смелый эксперимент. Можно сказать, мы пытаемся на новом технологическом уровне реализовать идею о прогнозе землетрясений с помощью поведения животных. Но следим не за поведением непосредственно, а регистрируем и анализируем биоэлектрическую активность коры больших полушарий головного мозга.

Исследованиями в области нейробиологии занимаются ростовские коллеги. Они готовят и размещают на наших площадках животных, подключив их к специальному оборудованию. Мы обеспечиваем работу компонентов системы и оперативную передачу данных в вуз, где изучают полиграфическую активность. Команда математиков и нейрофизиологов пытается выявить предвестники и построить технологию прогноза землетрясений. На нас остается сейсмологическая часть работы: сейсмический мониторинг и экспертиза сделанных прогнозов.

 — Где был организован такой мониторинг?

 — Одна точка наблюдений находится в черте Петропавловска-Камчатского, другая — на территории нашей геофизической обсерватории, в 60 километрах от города. Организация пункта в населенной местности — дело несложное. А вот работа на полевом стационаре, на мой взгляд, большое достижение. Здесь нет общедоступных каналов связи, центрального электроснабжения и тому подобного. Поэтому данные передаем по специальному каналу, как обычно делаем с удаленных сейсмических станций. Поскольку место тихое, в нем отсутствуют антропогенные помехи, такая точка очень полезна для эксперимента.

После того, как прогнозная методика в первом приближении была готова, началось слепое тестирование. В Камчатский филиал Российского экспертного совета по прогнозу землетрясений (КФ РЭС) ежедневно стали поступать прогнозные заключения на ближайшие сутки: ожидается ли землетрясение с определенными параметрами или нет. В таком режиме мы работали несколько месяцев. Некоторые сценарии оправдались. Стопроцентного успеха, конечно, добиться не удалось. Как и в любом научном прогнозе, здесь были пропуски цели и ложные тревоги. Но итоговая эффективность методики оказалась довольно впечатляющей.

 — На каком этапе сейчас находится эксперимент?

 — В настоящее время мы готовим серию публикаций, где будут отражены нейрофизиологические и сейсмологические аспекты. Изначально проект был поддержан Фондом перспективных исследований, а в этом году открылась молодежная лаборатория в ЮФУ. Очень здорово, что получилось продолжить эксперимент.

Однако полученные результаты не означают, что проблема прогноза землетрясений будет решена. Тем не менее, исследование может открыть целый комплекс перспективных направлений. Если дальнейшие работы покажут, что животные что-то чувствуют (а они могут ошибаться), возникнет вопрос — что именно? Может, именно это станет ключом к дальнейшим прогнозам. Тогда в идеале животное нужно будет заменить на механический двойник. Возможно, исследования прольют свет на механизмы подготовки и реализации землетрясений. А здесь еще есть над чем работать. Из-за особенностей геологической среды, которая вмещает в себя очаг землетрясения, есть сложности с краткосрочными и оперативными прогнозами.

 — Этой весной на Камчатке произошло извержение вулкана Шивелуч. Событие позволило проверить какие-нибудь методы и получить полезные данные?

 — Шивелуч, конечно, дал пищу для наблюдений. Этот вулкан не позволяет строить точные прогнозы с помощью системы, находящейся в том районе в настоящее время. Там работают всего три станции, оснащенные приборами еще советского производства. При большем количестве пунктов можно было бы использовать дополнительные методы.

Это извержение мы ждали два года. Но краткосрочный прогноз непосредственно начала критической фазы не смогли построить. Зато наши методы блестяще проявили себя после начала извержения, во время активной фазы для оперативной реконструкции хода извержения и контроля состояния вулкана. Была отслежена интересная активизация западнее основного эруптивного центра (устьевой части жерла вулкана, по которому лава и газы поступают из очага магмы — прим. ред.) — возникли опасения, что образуется новый кратер. К счастью, обошлось, и извержение пошло на спад. Материала получено много, его еще предстоит осмыслить.

 — Вы также говорили на КМУ о необходимости модернизировать Федеральную систему сейсмологических наблюдений. Как она выглядит и почему ее нужно обновлять?

 — Она состоит из нескольких региональных сегментов сейсмических станций. Эти пункты наблюдений расположены как в населенной, так и ненаселенной местности, в том числе на Камчатке. Данные собираются по регионам, где филиалы геофизической службы ведут региональный мониторинг, и передаются в наш центр в Обнинске, который занимается уже глобальным мониторингом.

Сейчас в России система наблюдений состоит чуть более чем из 300 станций, совсем немного для такой территории. Камчатская региональная система — самая мощная в стране, здесь таких 80 объектов. Половина из них оснащена еще советскими датчиками. Они неплохие и здорово нас выручают, но это уже устаревшие приборы.

Систему необходимо обновлять не только для научных исследований, но и для безопасности, поскольку мы также обязаны обеспечивать работу сейсмической подсистемы службы предупреждения цунами. Дело в том, что в основе всех систем предупреждения этого стихийного бедствия в мире лежит сейсмический метод. Чтобы выяснить, может ли возникнуть цунами, определяются параметры землетрясения и производятся вычисления. За счет того, что сейсмические волны бегут гораздо быстрее, чем волны цунами, есть запас времени для эвакуационных мероприятий. В случае объявления тревоги сигнал поступает в Росгидромет.

Кроме того, мы отвечаем за инструментальный мониторинг вулканов, занимаемся прогнозом и контролем их состояния сейсмическими методами. С вулканами работают и другие научные учреждения, но скорее с фундаментальной точки зрения.

И, конечно, больше станций нужно для развития текущих научных проектов и запуска новых. Недостатки системы наблюдений влияют на то, что на сегодняшний день нет эффективных методов прогноза, подходящих для массового внедрения в практику. Хотя с точки зрения фундаментальной науки, я считаю, наши результаты крайне ценны. Наблюдения по всем методам ведутся непрерывно уже десятки лет. Поэтому нужно обновлять материально-техническую базу, довести ее до мирового уровня. Нам есть куда расти.

Беседовала Анна Шиховец