В.Н. Жарков - Внутреннее строение Земли и планет (1119250), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Иерсесов в статье «Вопросы прогноза землетрясений» (Физика Земли, 1978, № 9, 13–30). Предсказание землетрясений является крупной научнотехнической проблемой современности. Ей посвящены специальные книги.1Первая научная программа по прогнозу землетрясений была сформулирована Б.Б. Голицыным в 1911 г.
Она состояла из следующих пунктов: 1) Изучение сейсмического режима (сейсмичности) и особенностей записи сейсмических колебаний; 2) изучение скоростей распространения сейсмических воли всейсмоактивных зонах с целью оценки напряженного состояния; 3) выполнениегеодезических измерений для выявления медленных деформаций земной коры;4) постановка гравиметрических измерений; 5) изучение режима источников искважин, а также изучение состава сорбированных в земной коре газов.Ашхабадское землетрясение 1948 г.
послужило толчком к постановке работпо систематическому поиску предвестников землетрясений в СССР. В Гармском районе Таджикской ССР в 1949 г. был заложен геофизический полигон, накотором впоследствии были сделаны основные открытия в области предвестников землетрясений. Глава советских геофизиков того времени Г.А. Гамбурцев вконце 1953 г. сформулировал новую программу по поиску предвестников землетрясений, в основе которой лежала идея перехода от сезонных наблюденийв сейсмоактивных районах к непрерывным круглогодичным наблюдениям.
Работы по прогнозу были усилены после Ташкентского землетрясения 1966 г.1 См., например, Рикитаки Т. Предсказание землетрясений. — М.: Мир, 1979. Мячкин В.И.Процессы подготовки землетрясений. — М.: Наука, 1978.41В середине 60-х годов советский сейсмолог чл.-корр. АН СССР С.А. Федотовпервым показал возможность долгосрочного прогноза землетрясений на основеанализа сейсмичности Курило-Камчатского региона. Он обнаружил, что в зонесочленения Тихоокеанской плиты с Евро-Азиатской сильнейшие землетрясениямигрируют по зоне этого сочленения с периодом в ∼ 100 лет.
При этом новыесильные землетрясения возникают в сейсмически «молчащих» зонах, т. е. там,где они долго не возникали. Современное мощное развитие работ но прогнозуземлетрясений в СССР в значительной мере обязано академику М.А. Садовскому — директору Института физики Земли АН СССР им. О.Ю. Шмидта.В настоящее время открыто множество разнообразных предвестников сильных землетрясений (MS ≳ 5), которые классифицируются как долгосрочные (годы, десятилетия), краткосрочные (месяцы, недели) и оперативные (сутки, часы).Схема современного комплекса наблюдений предвестников сильных землетрясений, взятая нами из цитированной выше статьи М.А.
Садовского и И.Л. Нерсесова, показана на рис. 12. Среди предвестников землетрясений, открытыхв Гармской экспедиции Института физики Земли АН СССР (руководитель экспедиции И.Л. Нерсесов), мы опишем два, которые показали, что классическиепредставления о механизме землетрясений, изложенные в предыдущем параграфе, явно неполны и их следует дополнить более глубокой физической картинойизменений свойств среды в зонах подготовки землетрясений.
Первый из этихпредвестников связан с характерным бухтообразным изменением отношенияскоростей vP /vS в зоне подготовки землетрясения (рис. 13).В 1962 г. А.М. Кондратенко и И.Л. Нерсесов опубликовали работу, в которойпривели результаты прохождения P-волн от большого числа слабых сейсмических толчков через эпицентральные зоны сильных землетрясений Гармскогорайона. Получалось так, что скорости P-волн перед сильными землетрясениями составляли ∼ 5.3 км/с, в то время как после землетрясений они достигализначения ∼ 6.3 км/с.
Поясним, почему этот результат в то время казался неправдоподобным и тогда практически никто не принял его всерьез.Согласно классической схеме землетрясение происходит после того, как накопленные напряжения в какой-то момент превзошли предел прочности горнойпороды (положение 1 теории Рейда). О накопленном напряжении можно судитьпо снятым напряжениям, которые составляют ∼ (30–100) бар (см. §1.4). Оценитьвеличину изменения напряжения (или давления), при котором скорость vP меняется на 1 км/с, можно с помощью данных о распределении скоростей в моделяхЗемли (см.
§7.3). Оказывается, что для этого необходимо приложить напряжение (или давление) в ∼ 130 кбар, т.е. в тысячу раз большее, чем сброшенныенапряжения, равные ∼ (30–100) бар.42ПрогнозВремяЭнергияМестоВоздействиеНадежностьДолгосрочныйКраткосрочныйОперативныйОбщееизучениегеофизическихполейДетальныегеофизическиеисследованияна полигонеНаблюденияза отдельнымипараметрамигеофизического поляСейсмологияДеформацииЭлектромагнитныепроцессыГеохимия1813192914203101541116512176Термика?21?22?187Рис. 12. Общая схема прогнозных наблюденийВопросительным знаком отмечены методы, требующие проверки; кружок, треугольник и квадратик — знаки долгосрочных, краткосрочных и оперативных предвестников соответственно, 1 —пространственный режим (координаты x, y, глубина H, время t, энергия E); 2 — отношение скоростей vP /vS амплитуд объемных волн AS /AP ; 3 — механизм очага (направление векторов n и b)предварительных землетрясений в зоне подготовки сильного землетрясения; 4 — снятое напряжение в очаге; 5 — частотный анализ сейсмических импульсов; 6 — прозвучивание (сейсмическоепросвечивание); 7 — акустика (звуковой сигнал из эпицентральной зоны); 8 — геодезия, нивелирование, триангуляция; 9 — наклон земной поверхности; 10 — деформация; 11 — дебит скважини источников; 12 — пластовое давление; 13 — теллурические токи; 14 — зондирование на переменном и постоянном токе; 15 — магнитные вариации; 16 — дифференциальные магнитныенаблюдения; 17 — электропроводность воды источников; 18 — атмосферное электричество; 19 —сорбированные газы в породах: радон, гелий, CO2 , ртуть; 20 — химический состав вод и газовисточников и скважин: радон, CO2 и др.; 21 — тепловой поток в скважинах; 22 — температурныйрежим источников43Δ(vP/vS)K = 110.050−0.05−0.10.10.050−0.05I IIIII IV V VI VII VIII IX1957K = 13VI VII VIII IX X XI XII1957II III IV1958−0.1Рис.
13. График временных вариаций Δ(vP /vS ) при подготовке землетрясений в Гармском районеВскоре после этого, в 1969 г., была опубликована работа сотрудника Гармской экспедиции А.Н. Семенова о вариациях отношения vP /vS в очаговых зонахсильных землетрясений по данным длинных рядов наблюдений. Два графикаСеменова показаны на рис. 13. Мы видим, что перед землетрясением вначалепроисходит уменьшение, а затем восстановление величины отношения скоростей vP /vS , после чего следует толчок, обозначенный стрелкой. В случаях, показанных на рис. 13, падение отношения vP /vS составляет ∼ (8–10)%1 .
Величиназемлетрясения часто характеризуется не магнитудой MS , а классом K, которыйопределяется как десятичный логарифм энергии землетрясения, выраженной вджоулях (1 Дж = 107 эрг). Из (6) легко получается линейное соотношение междуK и MS :(14)K = 4.8 + 1.5MS .Таким образом, землетрясение одиннадцатого класса имеет магнитуду 4.1,а тринадцатого 5.5. После этой работы геофизики вынуждены были признать,что результаты И.Л.
Нерсесова и А.П. Семенова о существенном изменениискоростей сейсмических воли в зоне подготовки землетрясений реальны, хотясами авторы этого открытия в то время не смогли привести убедительных физических доводов, объясняющих сам эффект. Так был открыт один из важнейшихпредвестников землетрясений.Часто говорят не об анамалиях отношения vP /vS , а о вариациях, отношениявремен пробега S- и P-волн (tS /tP ), которое, собственно, и определяют из наблюдений. На практике строят график зависимости разности времен S − P какфункцию tP .
Этот график в координатах (tS – tP , tP ) имеет вид прямой, наклон1 По44более современным данным, падение отношения vP /vS составляет ∼ (2–4)%.которой равен k = (tS − tP )/tP . Далее предполагают, что пути распространения S- и P-волн от источника до станции совпадают (vPtP = vS tS ). Тогда имеемvP /vS = 1 + k.
Определяя коэффициент k из времен пробега, мы тем самымнаходим искомое отношение vP /vS .Второй эффект, явно указывающий на «необычные» изменения свойств среды, был обнаружен И.Л. Нерсесовым и И.Г. Симбиревой (1968 г.) при изучениимеханизмов очага слабых толчков в зоне подготовки сильного землетрясения.Речь идет о вращений осей сжатия в очаговой зоне. Обнаруженный эффект показан на рис. 14, взятом из сводной работы М.Л. Садовского, И.Л. Нерсесова,С.К. Нигматуллаева, Л.А.
Латыниной, А.А. Лукка, А.Н. Семенова, И.Г. Симбиревой и В.И. Уломова (Tectonophysics, 1972, v. 14, p. 295). Из рис. 14 следует,что подготовка землетрясения как бы разбивается на три этапа. На первом направления осей сжатия не имеют какого-либо преобладающего направления, навтором они группируются в области азимутов 90–180∘ , на третьем оси сжатиярезко меняют свои направления и их азимуты становятся меньше 90∘ .
По этимданным были определены долгосрочные и краткосрочные предвестники. Онисоставляют соответственно 470 и 130 дней для землетрясения 1966 г. и 360 и110 дней для землетрясения 1969 г. Время долгосрочного предвестника отсчитывается от начала второго этапа, а краткосрочного — от начала третьего.Как известно, характерные геологические времена велики (∼ 104 –107 лет),и, следовательно, соответственное изменение тектонического режима и тектонических напряжений должно было бы происходить очень медленно. С этихпозиций быстрое изменение направления напряжений в очаговой зоне представлялось неожиданным и непонятным.
Качественное объяснение существованияпредвестников землетрясений с позиций теории разрушения материалов былопредложено в начале 70-х годов различными группами исследователей. В СССРэто были В.И. Мячкин, Б.В. Костров, Г.А. Соболев и О.Г. Шамина, в США Брэдии Стюарт, в Японии Моги. Аналогичные теории, в которых важную роль игралавода, заполняющая поровое пространство в горных породах, были предложеныБрейсом, Дитерихом, Нуром, Шольцем и др.
в США.Если бы в кристаллических твердых телах не было дефектов (дислокаций,трещин и их всевозможных комбинаций), то разрушить их было бы несравненнотруднее, чем те реальные твердые тела (например, горные породы), с которымимы сталкиваемся на практике. Как известно, деформация материала ε при егоработе на растяжение или сжатие определяется модулем Юнга E, т.е. σ = E ε(σ — напряжение растяжения или сжатия), а при работе на сдвиг — модулемсдвига μ , τ = με (τ — напряжение сдвига). Модуль Юнга E связан с модулямисжатия K и сдвига μ соотношением45Рис. 14. Временные вариации азимутов осей сжатия. На графике ясно видно, что азимут менялся дважды: перед землетрясениями 1966 и 1969 гг., моменты возникновениякоторых отмечены крупными кружками.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
