Фгунпп «Росгеолфонд» Московский филиал фгунпп «Росгеолфонд» «Научный центр виэмс»

3.8. Сейсмология

Сейсмология – это раздел геофизики, изучающий землетрясения, их причины, последствия и меры зашиты искусственных сооружений. Ключевым вопросом сейсмологии является пргноз землетрясений, который складывается из предсказания места, силы и времени их проявления. Считается, что задача предсказания времени и места возникновения сильных землетрясений еше не решена в силу своей сложности. Работы в этом направлении связаны с поиском предвестников землетрясений, которые могут представлять собой изменения физико-механических свойств земной коры и мантии перед землетрясением. Элементом прогноза в известной мере служат сейсмическое районирование и микросейсмическое районирование, с помощью которых могут быть определены районы с возможной максимальной силой землетрясений и частотой их проявления.

В России традиционно сложилась ситуация, когда всеми вопросами сейсмологии и в том числе прогнозом землетрясений, занимались исключительно научно-исследовательские институты Российской академии наук. Эти организации были прекрасно оборудованы, им принадлежала целая сеть сейсмических станций, установленных в сейсмоопасных районах Советского Союза. Кроме решения практических проблем, значительные усилия направлялись на изучение теоретических вопросов и разработку аппаратуры и оборудования.

После смены социально-экономической базы страны часть сети сейсмических станций была потеряна для России вместе с сейсмоопасной территорией и резко сокращено финансирование исследований. Проблема прогноза землетрясений была передана для решения ФГУП «ВСЕГИНГЕО» Министерства природных ресурсов РФ. Эта проблема чрезвычайно сложна и поэтому ее решение возможно только при постоянном мониторинге самих исследований, то есть должна работать устойчивая группа исследователей с нормальным постоянным финансированием. Такая группа может быть частично рассосредоточена по сейсмоопасным регионам при условии регулярного постоянного обмена информацией между коллегами. В общем, организационная схема подобных исследовательских организаций должна строится по типу академической, как наиболее эффективной. Выделение ФГУП «ВСЕГИНГЕО» только на 9 месяцев всего восьми миллионов рублей [Гарифулин В.А., Круподерова О.Е., Куликов Г.В. и др. Методическое сопровождение геолого-геофизических работ по прогнозу землетрясений. Геологический отчет за 2010 год по объекту № 1-04/10. Гос. контракт № АМ-02-34/21. /ФГУП «ВСЕГИНГЕО». ГР № 643-10-139. Инв. № 497384. –п. Зеленый. Ногинского района, Московской обл. -2010.] не может обеспечить плодотворное решение проблемы. Необходимо больше предоставлять исполнителям времени и финансов, так как ущерб от сильных землетрясений, как правило, бывает очень значительным.

Социальная и экономическая значимость проблемы оперативной оценки напряженно-деформированного состояния недр и сейсмической опасности определяется огромным ущербом от проявления разрушительных землетрясений, которые часто приводят к катастрофическим последствиям, гибели людей и, как правило, к очень большому экономическому ущербу. Только в ХХ столетии в мире, в результате сильных землетрясений, погибло более 1,5 миллиона человек.

Ущерб от землетрясений в значительной мере возрастает при их проявлении в густонаселенных, промышленно развитых районах. Сейсмическая уязвимость в таких регионах особенно велика. Сейсмическая опасность возрастает также в оползнеопасных районах. Оползни и обвалы, вызванные землетрясением, приводят в таких случаях к более значительным разрушительным последствиям.

Катастрофический характер землетрясений для городов и промышленных центров, расположенных в сейсмоопасных регионах России, обусловлен, прежде всего, тем, что еще не созданы надёжные системы их инженерной защиты от опасных геодинамических воздействий. Кроме того, с ростом городов и развитием промышленности усиливается отрицательная роль техногенных воздействий на геологическую среду.

В Российской Федерации более 30% ее территории подвержено сейсмическим воздействиям (7 баллов и более). Из них более 15% занимают наиболее опасные 8-10 бальные зоны. Более 20 млн. человек (14% населения) находятся в условиях возможной угрозы сильных землетрясений.

Актуальность непрерывных наблюдений за изменением геодинамической обстановки в сейсмоопасных регионах, в настоящее время значительно возросла в связи с резким увеличением исходной сейсмичности почти для 50% территории Российской Федерации. В последние годы наблюдается активизация сейсмотектонических процессов в Байкальском регионе, на Дальнем Востоке (особенно в районах Камчатки и Сахалина). Возросла сейсмичность и на Северном Кавказе.

Короче говоря, то, что оценка сейсмической опасности и прогноз землетрясений являются наиболее актуальными для нашей страны настолько очевиден, что нет необходимости ссылаться на правительственные документы, чтобы доказывать это.

Несмотря на важность требований безопасности, прогноз землетрясений в настоящее время остается одной из наиболее острых и сложных проблем наук о Земле. До настоящего времени как в России, так и за рубежом еще не создана такая система слежения за развитием геодинамических процессов в земной коре, которая обеспечивала бы удовлетворительный по достоверности прогноз времени, места и силы землетрясения. Сегодня, по преобладающему мнению сейсмологов – прогнозирование землетрясений возможно, но только с определенной степенью вероятности. На основе комплексного анализа различных, непрерывных наблюдений (геофизических, сейсмологических, гидрогеологических, геодезических), с уверенностью можно лишь утверждать, что в том или ином районе опасность сильного землетрясения повышается.

Наиболее сейсмоопасными в Российской Федерации являются территории Северокавказского, Байкальского, Дальневосточного и Алтае-Саянского регионов в пределах:

- Южного федерального округа – Ставропольский край, Краснодарский край, Республика Северная Осетия-Алания, Республика Дагестан, Карачаево-Черкесская Республика, Кабардино-Балкарская Республика;

- Сибирского федерального округа – Иркутская область, Республика Бурятия, Республика Тыва, Республика Алтай, Республика Хакасия, Красноярский край, Алтайский край, Кемеровская область;

- Дальневосточного федерального округа – Амурская область, Камчатская область, Сахалинская область, Еврейская автономная область, Приморский край, Хабаровский край.

В настоящее время функционируют наблюдательные пункты региональной сети гидрогеодеформационного (ГГД) мониторинга: на Северном Кавказе (28 наблюдательных пунктов); в Байкальском регионе (10 наблюдательных пунктов); в Алтае-Саянском регионе (20 наблюдательных пунктов) и Дальневосточном регионе (29 наблюдательных пунктов).

Наиболее информативными являются наблюдательные сети ГГД мониторинга на Северном Кавказе и в Алтае-Саянском регионе, где все крупные структурные блоки земной коры имеют пункты наблюдения. Следует при этом учитывать, что многие сейсмоопасные, густонаселенные районы Северного Кавказа являются также оползнеопасными и поэтому более уязвимыми от проявления землетрясений. В связи с этим, в настоящее время создаются дополнительные наблюдательные пункты в Причерноморской зоне в районах Сочи и Геленджика.

Байкальский и Дальневосточный сейсмоактивные регионы характеризуются крайне редкой сетью наблюдательных пунктов. В связи с этим возникает настоятельная необходимость дальнейшего развития региональной наблюдательной сети, особенно в Байкальском регионе, на п-ве Камчатка и о-ве Сахалин, где в последние годы отмечается заметное повышение сейсмической активизации.

Одним из наиболее эффективных методов оценки сейсмогеодинамической обстановки остаётся ГГД мониторинг. ГГД поле обладает высокой чувствительностью к развитию процессов подготовки землетрясения, имеет повсеместное распространение, содержит обширную информацию о происходящих изменениях геодинамических напряжений в земной коре. ГГД мониторинг обеспечивает непрерывность слежения за происходящими изменениями напряженно-деформированного состояния земной коры, за развитием геодинамических процессов, предваряющих сильные землетрясения. Именно, поэтому в 1985 году он был включен в общий комплекс сейсмологических наблюдений. Геологической службой были начаты работы по созданию региональной наблюдательной сети в сейсмоопасных регионах бывшего СССР. К 1991 году сеть ГГД мониторинга включала более 170 наблюдательных пунктов.

В 1998 г. группой специалистов под руководством Г.С. Вартаняна и А.В. Липилина была разработана концепция создания и эксплуатации системы геодинамического мониторинга в Российской Федерации для целей прогноза сильных землетрясений.

Геофизические и газогидрогеохимические методы широко используются как дополнение к ГГД мониторингу и позволяют повысить достоверность и локализацию сейсмогеодинамических оценок. Геофизические и газо-гидрогеохимические наблюдения проводятся, в основном, на полигонах или на отдельных «чувствительных» точках.

При проведении геолого-геофизических работ по прогнозу землетрясений применяется ГГД метод и разнообразные геофизические и газо-гидрогеохимические методы. Связующим звеном, неким «каркасом», всех работ является ГГД мониторинг. Предварительный анализ результатов наблюдений с построением аналитической картографической основы для оценки геодинамической обстановки проводился в региональных центрах анализа и обработки данных ГГД мониторинга. Данные наблюдений по электронной почте одновременно поступали в Центр региональной эндогеодинамики ВСЕГИНГЕО, где они анализировались и сопоставлялись с результатами наблюдений геофизических и гидрогеохимических полей, поступающих во ВСГИНГЕО с полигонов.

Ведение банка данных ГГД мониторинга выполнялось в автоматизированном режиме с его постоянным пополнением новыми данными наблюдений. Банк данных ГГД мониторинга обеспечивает анализ большого массива данных наблюдений прошлых лет, быстрый поиск данных за любой период наблюдений и автоматизированное построение картографической основы для анализа и оценки геодинамической обстановки на различных этапах сейсмотектонической активизации, развития процессов подготовки землетрясений (по различным регионам и различным очагам землетрясений).

Разработаны методы автоматизированного построения аналитических карт ГГД поля по его энергетическим параметрам (кинетической и потенциальной энергии). Карты байкальского сейсмоактивного региона, построенные по энергетическим параметрам, наглядно отразили периоды сейсмической активизации с устойчивыми структурами напряжений, формирования очагов землетрясений и места проявления сейсмического события (Землетрясение в Слюдянке 27.08.2008 г, М-6).

Геофизические методы применяемые для прогноза землетрясений отличаются большим разнообразием аппаратуры и методик. Степень информативности применяемых геофизических методов при мониторинге сейсмоактивности территорий также разнообразна.

Сейсмометрия с применением для обработки энергетического подхода (метода аттракторов), предложенного В.Г.Сибгатулиным активно применяется на полигонах Сибири и Дальнего Востока для целей прогноза сейсмоопасных событий по данным сейсмического мониторинга. Эта методика позволяет, используя предложенный им формальный подход, количественно с точностью до 1-5 дней указать дату ожидаемого события, с какой энергией оно произойдет и возможное место его проявления.

Теоретической основой метода В.Г. Сибгатулина является теория катастроф. В этой работе исследуются процессы, приводящие к потере устойчивости равновесных и автоколебательных режимов. Применяя к геофизическим данным «методику В.Г. Сибгатулина» можно оценить информативность этого метода и его целесообразность применения для целей прогноза сейсмоопасных событий.

Газогидрогеохимические методы прогноза заключаются в проведении мониторинга радона, торона и гелия. Недостатком газовых методов является большой временной интервал между наблюдениями. Это не позволяет оценить наличие реакции на изменение напряженного состояния недр за счет изменения силы тяжести создаваемой Луной и Солнцем. По этой причине при анализе информативности того или иного метода предлагается использовать метод В.Г. Сибгатулина.

Метод естественного электромагнитного излучения горных пород (ЕИЭМПЗ), является информативным в отношении предсказания сейсмического события. Однако, вследствие отсутствия какой-либо математической обработки наблюдаемого поля определенных четких выводов о методе как предвестнике сделать нельзя.

Метод дипольных зондирований применяется в ФГУНПГП «Иркутскгеофизика». Метод позволяет измерять удельное электрическое сопротивление (УЭС) горных пород на заданных глубинах исследования. Дополнительно перед включением источника тока в линии АВ, можно регистрировать естественное электрическое поле (ЕП). Точность измерений УЭС и ЕП в лучших образцах зарубежной и отечественной аппаратуры составляет 0,1-1%. Ввиду наличия искусственного источника тока и малого времени необходимого на измерение УЭС, наблюдения этим методом можно производить с часовым интервалом. Такой интервал наблюдений необходим для оценки чувствительности метода к изменению напряженного состояния горных пород, возникающего под действием Луны и Солнца.

ФГУНПГП «Иркутскгеофизика» применяет метод ДЗ с использованием многоразносной установки приемных линий MN. Специальная обработка данных метода ДЗ показала, что метод ДЗ содержит аттракторы, позволяющие достаточно точно и объективно осуществить прогноз практически всех землетрясений, наблюдаемых в окрестностях Байкальского региона.

При исследовании земных недр методом теллурических токов регистрируют одновременные колебания электрической части - Е(t) и магнитной части – H(t) магнитотеллурического поля c периодом от 10-20 до 60-80 сек. По результатам наблюдений за полями Е и Н вычисляют электрический импеданс горных пород – комплексное электрическое сопротивление горных пород, зависящее от частоты. Для получения достоверных значений импеданса на одном пункте наблюдений регистрацию E(t) и H(t) осуществляют в течении одного дня, а иногда и нескольких дней, в утренние и дневные часы (реже вечером). Это связано с тем, что наблюдения должны охватывать интервал периодов от 10 до 100 сек, которые возникают по местному времени именно в это время суток.

Таким образом, получение достоверных значений импеданса является длительным процессом, что не позволяет получить его надежные значения через каждый час. Часовые наблюдения методом ТТ (и магнитотеллурического зондирования - МТЗ) за импедансом горных пород позволили бы оценить чувствительность метода к непосредственной регистрации напряженного состояния земных недр возникающее за счет изменения силы тяжести, создаваемой Луной и Солнцем. Таким образом, прямого способа оценки эффективности применения метода теллурических токов нет. Длительный интервал времени необходимый для регистрации импеданса является существенным недостатком метода, так как он снижает оперативность и информативность метода.

Метод аудиомагнитотеллурического зондирования (АМТЗ) применяется в ГНЦ ФГУГП «Южморгеология» и является альтернативным методом методу теллурических токов (ТТ), так как в отличие от метода ТТ наблюдения методом АМТЗ производятся в более высокочастотном диапазоне, что позволяет наладить наблюдения с интервалом в 1 час и менее. Возможно, метод является чувствительным к наблюдаемым землетрясениям, так как отклонение кажущегося удельного сопротивления является значимым.

Геомагнитные наблюдения осуществляются на прогностических полигонах ИФЗРАН (Геофизическая обсерватория «Нейтрино») в ФГУНПГП «Иркутскгеофизика» в двух пунктах, расположенных на противоположных берегах озера Байкал, Энхалук и Стволовая (Тырган), соответственно и в ФГУП ВСЕГИНГЕО (Верхне-Кубанский полигон).

Известно, что поляризация вектора геомагнитного поля сильно зависит от пространственного положения источника поля, поэтому оценка чувствительности метода к изменению напряженного состояния существенно затруднена из-за неопределенного положения источника поля.

Так как измерения геомагнитного поля производились один раз в день, то не удается оценить непосредственно чувствительность вектора Т к изменению напряженного состояния горных пород, создаваемого изменением силы тяжести удаленными небесными телами – Луной и Солнцем, поэтому возможность регистрации изменения напряженного состояния горных пород оценивается косвенно, используя метод В.Г. Сибгатулина. Предполагая, что если данные геомагнитных наблюдений содержат аттракторы, которые предсказывают сейсмическую опасность, то геомагнитные наблюдения эффективны для целей прогноза и их применение в комплексе с наблюдением ГГД поля, геохимическими радон-тороновыми и сейсмологическими методами должно повысить надежность предсказания сейсмической опасности.

Дальнейшее развитие прогноза землетрясений усматривается в следующем:

-скорейшее завершение работ по оборудованию всех наблюдательных пунктов новыми измерительными комплексами, оснащенными средствами телеметрии для оперативной передачи данных наблюдений в центры их обработки и анализа;

-необходима организация дополнительных наблюдательных пунктов региональной сети ГГД мониторинга в сейсмоопасных Дальневосточном и Байкальском регионах.