О резонансной природе землетрясений
Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
Санкт-Петербург, 15.12.06
Прогноз землетрясений - актуальнейшая задача на Земле. Нет ни одного сколько-нибудь серьезного научного коллектива, работающего в области физики Земли, где бы не делались попытки подойти к решению этой проблемы. Однако, к сожалению, все эти попытки сводятся либо к поискам признаков приближения землетрясения, либо к тому, чтобы использовать некоторые, как многим кажется, очевидные механизмы. Такие, как накапливание энергии в земной толще или увеличение напряженного состояния горных пород.
Я сказал "к сожалению", потому что, во-первых, поиск признаков не есть создание прогноза, а во-вторых, потому что ни энергетика, ни напряженное состояние не являются субстанциями, которые возможно не то что померить, но даже и оценить с помощью имеющейся на сегодняшний день аппаратуры.
Прогнозирование любого события представляет собой исследование факторов или причин, развитие которых приводит к этому событию. Таким образом, до тех пор, пока физика прогнозируемого явления неизвестна, просто непонятно что исследовать, и потому прогноз его невозможен.
Некоторая надежда на то, что мы приблизились к решению этой проблемы, возникла тогда, когда был найден механизм формирования техногенных землетрясений.
1. Техногенные землетрясения.
Как удалось выяснить [1], техногенные землетрясения, иначе называемые горными ударами, происходят под воздействием работающих механизмов - насосов, добычных и проходческих комбайнов, динамо-машин и других установок, работа которых сопровождается вибрацией.
Амплитуда колебаний почвы при горных ударах, как правило, невелика, и воспринимается людьми, находящимися в их зоне как легкие удары по пяткам. Часто бывает, что это сопровождается громоподобными звуками, что очень сильно воздействует на психику работающих в этих условиях людей. Однако иногда горные удары могут иметь и катастрофические последствия. Это, например, разрушение подземных горных выработок в шахтах, крушение поездов и даже гибель Чернобыльской АС.
Механизм развязывания горных ударов подобен тому случаю, который рассказывают всем школьникам - разрушению моста в результате того, что по нему маршевым шагом (то есть, в ногу) проходило воинское подразделение. То есть мост разрушился вследствие возникновения резонанса. Вкратце, физика техногенных землетрясений следующая.
При ударном воздействии на грунт, отклик на этот удар (сейсмосигнал) имеет вид совокупности гармонических затухающих процессов [2]. Это происходит потому, что по акустическим свойствам земная толща (горный массив) представляет собой совокупность колебательных систем. Каждая из этих колебательных систем, в общем случае, - это плоскопараллельная породная структура. При этом характеристики этих колебательных систем отражаются на параметрах сейсмосигнала. В частности, добротность каждой колебательной системы равна добротности соответствующей гармонической составляющей сейсмосигнала. И следовательно, при проведении спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) [3] эти добротности геологических структур могут быть выявлены.
Как оказалось, в зонах тектонических нарушений (ЗТН) (которые как раз и выявляются методом ССП) добротность отдельных гармонических составляющих сейсмосигналов существенно увеличивается.
В свете этих представлений, дальнейшая логика очень проста. В том случае, если в ЗТН оказывается вибрирующий механизм, частота вибрации которого равна частоте высокодобротной составляющей сейсмосигнала, возникнет резонанс. При резонансе, как известно, начинается рост амплитуды колебаний, и при достаточной добротности, а также при достаточном весе вибратора1 амплитуда колебаний в земной толще может возрасти настолько, что будет превзойден порог упругости пород, В результате произойдет мгновенное разрушение поверхности и механизм резко провалится в землю. Это, собственно и есть горный удар.
Очень нагляден этот процесс в том случае, если источником вибрации является движущийся поезд. Если периодическое воздействие колесных пар на насыпь при пересечении поездом ЗТН попадет в резонанс, то амплитуда колебаний рельсового пути будет возрастать от вагона к вагону, и в какой-то момент времени насыпь разрушится. Оставшиеся вагоны не смогут ее пройти, и непрошедшая это препятствие часть поезда оторвется от той, которая уже прошла. Такие аварии время от времени происходят во всех странах. К сожалению, от качества путей и подвижного состава при этом ничего не зависит.
Теперь, когда известна физика горных ударов, уже возможно как их прогнозирование, так и предотвращение.
Если так получилось, что вибрирующее устройство оказалось в ЗТН, то в тех местах, где добротность сигнала достигает критического значения, следует установить измерители амплитуды вибрации, и в случае ее роста, что предшествует горному удару, изменить частоту вибрации в сторону ухода от резонанса.
Применительно к поезду, достаточно не допускать в разведанных заранее ЗТН такой скорости поезда, при которой возможен резонанс.
На рис. 1 приведена иллюстрация описанного выше явления. В качестве примера взят ССП-разрез, полученный при профилировании через зону, в которой идут постоянные разрушения очистных сооружений. В том числе, и в результате горных ударов.
ССП-разрез по профилю, пройденному вдоль западной границы очистных сооружений
(Ольгино, Санкт-Петербург)
Рис. 1
ССП-разрез - это совокупность спектральных изображений сейсмосигналов, полученных при сейсмоизмерениях, осуществляемых вдоль заданного профиля с заданным шагом. В данном случае, шаг равен 10м. Вертикальная ось должна быть в частотах. Однако поскольку частоты однозначно пересчитываются в глубины, то вертикальная ось дается в глубинах, в метрах. Формула пересчета имеет следующий вид:
hi = Vs / fi, (1)
где Vs - скорость поперечных волн. В соответствии с исследованиями, изложенными в работе [3], Vs = 2500м/с .
Наличие на ССП-разрезе воронкообразного (V-образного) объекта (показан штриховой линией) свидетельствует о наличии ЗТН. В данном случае, ЗТН пересечена профилем на участке 110 - 250м. Величины раздувов на спектральных изображениях сейсмосигналов пропорциональны величинам добротности соответствующих гармонических составляющих этих сигналов. Некоторые гармонические составляющие вблизи острия V-образного объекта обладают довольно большой добротностью. Так, вблизи 170-го метра профиля на глубине около 180м, что соответствует частоте 13 Гц (по формуле 1), гармоническая составляющая сейсмосигнала имеет добротность, равную более 100.
На рис.1б приведено временнόе изображение этого сейсмосигнала. Как показатель высокой добротности - чрезвычайно медленный спад амплитуды сигнала. Понятно, что если в этой зоне окажется механизм, вибрация которого имеет частоту около 13 Гц, то будет не спад, а подъем амплитуды сигнала. И эта амплитуда будет увеличиваться до тех пор, пока не разрушится грунт.
2. Природные землетрясения.
Некоторые возникшие в последнее время обстоятельства позволили воспринимать горные удары как лабораторную модель природных землетрясений. То есть, предположить, что и природные землетрясения имеют резонансное происхождение.
Для того, чтобы это было так, необходимо иметь в Земле некий природный вибратор, частота которого может оказаться равной собственной частоте также находящейся в Земле природной высокодобротной колебательной системы.
Что касается находящихся в Земле природных высокодобротных колебательных систем, то, как мы сейчас понимаем, чем больше разлом, тем выше добротность находящихся там структур.
Признаки наличия природного вибратора, в принципе, известны давно. Я уже много раз на конференциях слышал сообщения о том, что, просматривая сейсмограммы, полученные перед землетрясениями, можно увидеть низкочастотную пульсацию с большой амплитудой. Природа этого явления неизвестна, и поэтому, видимо, услышать об этом можно только, что называется, в кулуарах. В публикациях это явление, как мне кажется, не описывается.
Приблизиться к пониманию подхода к природному вибратору помогло открытие Сашурина А.Д. [4], который несколько лет назад средствами космической геодезии обнаружил, что в ЗТН проявляется планетарная пульсация. Амплитуда этой пульсации может достигать 10 см (!!). Частоту этой пульсации с помощью методов космической геодезии увидеть нельзя, но в дальнейшем, уже средствами спектральной сейсморазведки мы смогли увидеть, что частота эта весьма низкая - десятые и сотые доли герц.
Дальнейшее изучение показало, что планетарная пульсация - процесс, изменяющийся во времени. Амплитуда ее в одной и той же точке может изменяться в очень широких пределах, вплоть до полного исчезновения. Что касается частоты, то здесь есть неясности. Есть основания предполагать, что и частота не остается постоянной. Для исследования этих параметров планетарной пульсации сейчас подготавливается аппаратурная база. Но если это так, то получается очень простой механизм развязывания землетрясений, который заключается в случайном совпадении частоты планетарной пульсации с собственной частотой находящейся в данной ЗТН высокодобротной колебательной системы.
Таким образом, получается довольно точная аналогия условий возникновения техногенных и природных землетрясений.
До некоторых пор все эти логические построения были на уровне гипотез. Однако так сложилось, что эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение.
На Тайване построено самое высокое на Земле здание. Его высота - 509м. Тайвань является сейсмоактивным регионом, но для места строительства этого здания раньше, перед его возведения были характерными толчки с магнитудой, не превышающей 2 балла. Теперь, когда построили небоскреб, магнитуда толчков увеличилась в 2 и более раза. При этом оказалась значительной и амплитуда раскачивания здания.
В комментариях по поводу этого события причину ищут в большом весе этого здания, из-за чего якобы нарушился энергетический баланс, что и привело к усилению сейсмоактивности. С позиции же вышеизложенных механизмов картина получается несколько иной.
Тайваньский небоскреб представляет собой высокий столб, который, как известно из теории колебаний, является резонатором на изгибных колебаниях. Если здание такого типа окажется в ЗТН, то может так оказаться, что собственная частота этого резонатора окажется близка к частоте планетарной пульсации. Именно близка, а не равна. Дело в том, что когда эти частоты не равны, то возникает явление, называемое биениями. При этом амплитуда колебаний периодически увеличивается и уменьшается, и это проявляется как повышенная сейсмоактивность. Если сложится так, что возникнет устойчивый резонанс, то есть равенство частоты внешнего воздействия (планетарной пульсации) и собственной частоты небоскреба, амплитуда раскачивания его башни будет увеличиваться вплоть до его разрушения. Скорее всего, это будет воспринято как результат землетрясения.
То есть, на самом деле, увеличение амплитуды раскачивания не следствие увеличения сейсмоактивности, а причина. Иначе говоря, эта башня оказавшись в ЗТН, стала как бы усилителем фактора, являющегося предшественником землетрясения.
В свете всего сказанного выше, путь к прогнозированию природных землетрясений представляется двухэтапным процессом. По первому этапу следует выявить наиболее крупные ЗТН; по второму - установить в каждой такой зоне аппаратуру регистрации планетарной пульсации с определением динамики изменения ее амплитуды. В настоящее время эта программа реализуется в одном из сейсмоактивных регионов нашей планеты.
ССЫЛКИ НА ЛИТЕРАТУРУ
- Гликман А.Г. О применении метода ССП для прогнозирования геодинамических явлений. - www.newgeophys.spb.ru/ru/docl.shtml
- Гликман А.Г. О структуре поля упругих колебаний при сейсмоизмерениях. - www.newgeophys.spb.ru/ru/article/geon2005/index.shtml
- Гликман А.Г. Спектральная сейсморазведка - истоки и следствия. - www.newgeophys.spb.ru/ru/book2/index.shtml
- Sashourin A.D., Panzhin A.A., Kostrukova N.K., Kostrukov O.M. Field investigation of dynamic displacement in zone of tectonic breaking. /Rock mechanics - a challenge for society: Proceedings of the ISRM regional symposium EUROK 2001. Espoo, Finland 3-7 June 2001/ Balkema 2001. p. 157-162.
1 При недостаточном весе вибрирующего механизма он сам начнет прыгать, и это может привести к его поломке.
