16-го декабря 2008г в Швеции произошло землетрясение. Магнитуда по шкале Рихтера - почти 5 баллов.
Если посмотреть на карту землетрясений, то получается, что на Земле практически нет мест, где бы мы были застрахованы от этого грозного явления. А понимания физики его как не было, так и нет.
Понятно, что если нет понимания физики какого-то явления, то не может быть и прогнозирования его. Ведь прогнозирование - это не что иное, как экстраполяция в перспективу хода событий, которые предшествуют прогнозируемому явлению и подготавливают его.
Не имея информации о механизмах формирования землетрясений, в течение всей истории нашей цивилизации идет поиск их признаков. Наиболее известные из них - это беспокойное поведение животных перед землетрясениями. Однако признаки эти не жестко связаны с землетрясениями, и, к сожалению, об этих признаках вспоминают только после уже происшедшего события.
Ключ к обнаружению и изучению механизма формирования землетрясений дало открытие А. Д. Сашуриным явления планетарной пульсации [1, 2]. Планетарная пульсация представляет собой сверхнизкочастотные колебания, которые имеют место в зонах тектонических нарушений. Амплитуда этих колебаний может достигать 10см, но по причине весьма низкой их частоты (период равен минутам и более) они могут быть выявлены только специальной аппаратурой. Открытие планетарной пульсации - важнейшее событие для всех, кто ищет подход к прогнозированию техногенных катастроф. Как оказалось, множество необъяснимых ранее аварий произошло именно по причине воздействия этой пульсации на инженерные сооружения [3].
Что же касается землетрясений, то подойти к описанию механизма их формирования будет удобно после рассмотрения своего рода лабораторной модели природного землетрясения - землетрясения техногенного, которое имеет еще название горного удара.
С горными ударами знакомы люди многих профессий. В первую очередь, это горняки, которые и дали имя этому явлению. Горные удары имеют весьма широкий диапазон проявлений - от громоподобных, но безопасных звуков, и до полного разрушения объектов и взрывоподобного провала фундаментов и опор.
Анализ научной литературы показывает, что основная гипотеза происхождения горных ударов лежит в плоскости повышенного напряженного состояния горных пород и высвобождения избыточной энергии горного давления. Однако датчиков напряженного состояния не существует, а следовательно, нет и средств для экспериментального определения этой субстанции. Так же обстоит дело и с измерением энергии, предположительно запасенной в горных породах. Гипотеза же, основанная на обсуждении субстанций, не подлежащих экспериментальному определению, бесперспективна. И это, кстати, подтверждается состоянием общепринятой науки о горных ударах.
Для горных ударов характерно то, что они возникают при работе исполнительных механизмов - комбайнов и другой техники, оказывающей на свою опору динамическое (вибрационное) воздействие, и прекращаются при остановке механизмов. То есть происхождение их - как бы рукотворное, техногенное. В отсутствии человеческой деятельности горных ударов не бывает. И второе, это то, что горные удары происходят только в зонах тектонических нарушений.
На самом деле, возникновение техногенных землетрясений [4] обусловлено тем, что земная толща по акустическим свойствам представляет собой совокупность колебательных систем. Необходимо отметить, что это противоречит общепринятым представлениям, согласно которым земная толща по акустическим свойствам представляет собой совокупность отражающих границ. Наличие вот этой, общепринятой точки зрения обусловило возникновение и развитие традиционной, т.н. лучевой сейсморазведки. Однако при экспериментальной проверке оказалось, что общепринятый подход ошибочен, и, будучи совокупностью колебательных систем, земная толща обладает массой интереснейших и неожиданных свойств.
Изменение представлений об акустических свойствах нашей планеты в результате обнаружения ее колебательных свойств можно сравнить с аналогичным событием в электротехнике. Где-то во второй половине XIX века ученые пришли к выводу, что с открытием законов Ома и Кирхгофа познание в этой области знания завершено. Однако с открытием свойств колебательного контура оказалось, что существовавшие до этого представления позволяют описать лишь один частный случай, когда отсутствуют колебательные процессы и пространство распространения электромагнитного поля ограничено рамками электрических проводников.
Наличие колебательных свойств нашей планеты позволяет наконец-то понять причину нулевой эффективности традиционной сейсморазведки. В самом деле, при ударном воздействии, распространения упругого импульса в земной толще в принципе быть не может, так как уже в непосредственной близости от точки удара этот импульс преобразуется в совокупность колебательных гармонических процессов, каждый из которых распространяется вдоль структур, его породивших. В простейшем варианте, при строгой слоистости пород эти упругие колебания распространяются вдоль породных слоев.
Изменение представлений о Земле в том смысле, что она представляет собой совокупность колебательных систем, является весьма существенным. В конце концов, когда произошел переход от геоцентрических представлений к гелиоцентрическим, для повседневной жизни никаких особых изменений не произошло. В данном же случае, если учитывать колебательные свойства нашей планеты, изменяется представление о Земле как об опоре для всех возводимых на ней сооружений [5].
Роль колебательных систем в земной толще играют плоскопараллельные (как простейший вариант) геологические структуры, и собственная частота f0 таких объектов связана с мощностью (толщиной) h обратной пропорцией:
h = Vsh / f0, (1)
где числитель Vsh - скорость поперечных волн, значение которой для всех горных пород с погрешностью, не превышающей ±10%, равна 2500м/с.
Этот физический эффект лег в основу спектральной сейсморазведки [6]. При реализации метода спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) значения h отсчитываются от земной поверхности. Пример ССП-разреза приведен на рис.1.
ССП-разрез при профилировании вдоль газопровода Рис. 1
ССП-разрез получен при профилировании вдоль газопровода Уренгой - Новопсков, под Уфой. Шаг профилирования - 10м. ССП-разрез представляет собой совокупность вертикальных объектов, каждый из которых является спектральным изображением сейсмосигнала, полученного в каждой конкретной точке профиля. Ось глубин получена в результате пересчета по формуле (1).
Середина каждого утолщения (раздува) соответствует глубине соответствующей границы в земной толще. Так, скажем, центр одного из раздувов на 9340-м метре профиля приходится на 143м, что соответствует примерно 17Гц. Однако информационную ценность это приобретает только в том случае, если этот раздув совместно с другими, находящимися на соседних точках измерения, образует рисунок. Как например, образован воронкообразный (V-образный) объект на участке профиля 9110-9170м.
Величина толщины (ширины) раздува пропорциональна значению добротности данной гармонической составляющей сейсмосигнала. Добротность (обозначается Q) не является общеизвестным, привычным параметром. Однако без нее не обойтись при рассмотрении колебательных систем. А поскольку земная толща является совокупностью колебательных систем, то для дальнейшего повествования необходимо дать хотя бы поверхностное представление о добротности.
Добротность характеризует гармонический (синусоидальный) затухающий процесс, и чем медленнее затухает сигнал, тем выше его добротность. Наиболее известная колебательная система - камертон. Добротность его достигает 10000. Если дотронуться до вибрирующих частей камертона, он при ударе зазвучит на той же ноте, но длительность звучания резко уменьшится. То есть, упадет его добротность. Или добротность сигнала, что одно и то же, так как изображение частотной характеристики колебательной системы идентично изображению порождаемого ею колебательного процесса.
Границы, выявляемые методом ССП, представляют собой поверхности, по которым возможно взаимное перемещение (проскальзывание) соседних объектов. То есть, микротрещины являются объектом, надежно выявляемым методом ССП. Поскольку терригенные породные слои между собой резко не отделены, а как бы плавно переходят друг в друга, то на ССП-разрезе эта слоистость если и видна, то очень слабо.
Если на ССП-разрезе прорисовался воронкообразный (V-образный) объект или только одна его образующая, то это означает, что профиль пересек зону тектонического нарушения (ЗТН). Именно этот объект и пересечен профилем на участке 9110-9170м.
Интерес к ЗТН возник в связи с тем, что было замечено, что инженерные сооружения, оказавшиеся в этих зонах, неизбежно разрушаются, причем зачастую весьма бурно, и непонятным образом уходят в грунт. И кстати, при профилировании вдоль газопровода, один из разрывов трубопровода был именно вблизи 9140-го метра.
В результате широкого применения метода ССП выяснилось, что зоны тектонических нарушений имеют множество интереснейших свойств [7], но для нас сейчас важно то, что в этих зонах возможно возникновение техногенных землетрясений. Для этого в ЗТН имеются все условия: наличие высокодобротной колебательной системы и разрушенного грунта.
Механизм возникновения техногенных землетрясений аналогичен известному явлению, когда в результате того, что взвод солдат шел в ногу по мосту, мост разрушился. Разрушение моста произошло потому, что возник резонанс. Резонанс - это совпадение собственной частоты колебательной системы с частотой внешнего воздействия на эту колебательную систему. При этом от периода к периоду происходит возрастание амплитуды колебаний. В пределе, амплитуда возрастает в Q раз. И если величина добротности достаточно велика, то разрушение колебательной системы происходит еще до того как будет достигнута максимально возможная величина амплитуды колебаний. Именно так и произошло с тем мостом.
В горных выработках роль внешнего динамического воздействия выполняют комбайны (добычной и проходческий), на насосных станциях - вибрация от насосов, на электростанциях - вибрация от вращающихся турбин и динамо-машин.
Наилучшим образом резонанс изучен и описан в электротехнике и радиотехнике. Но там резонанс используется в стационарном режиме, когда колебательные контура возбуждаются на их собственной частоте. При формировании же техногенных землетрясений резонанс проявляется как переходной процесс, поскольку обрывается разрушением. Так, турбина может находиться в ЗТН, и при этом работать много лет без особых разрушений фундамента, на котором она смонтирована. Но может возникнуть ситуация, когда приходится изменять скорость ее вращения. При этом может оказаться так, что частота вибрации приблизится к собственной частоте высокодобротной колебательной системы, залегающей в земной толще, и начнется рост амплитуды, который прекратится разрушением всего сооружения.
Если обратить внимание на события, которые предшествуют внезапному, взрывоподобному разрушению насосных станций и прочих сооружений, оказывающих на грунт динамическое (вибрирующее) воздействие, то окажется, что все они, так или иначе, произошли в ходе изменения обычного режима работы.
Наиболее сильным примером является Чернобыльская авария, где присутствуют все элементы техногенных землетрясений. Авария произошла в ходе изменения режима работы турбин, и развитие ее началось с толчка, который зарегистрировали сейсмологи всего Мира. Этот толчок и был техногенным землетрясением, который как раз и разрушил все системы жизнеобеспечения реактора.
Кстати, длительное время сейсмологи пытались опротестовать информацию об этом толчке как противоречащую их представлениям о том, что Чернобыль не является сейсмоактивной зоной. Затем были попытки объяснить это сейсмологическое событие взрывом реактора. И только последнее время ученые все чаще высказывают недоумение по поводу того, что толчок примерно на 20 секунд предшествовал аварии.
Кроме того, подтверждением того, что 4-й блок оказался в ЗТН, является то, что саркофаг в настоящее время погружается в грунт и необъяснимо интенсивно разрушается.
Нестационарный, переходный режим резонансного явления при формировании техногенного землетрясения может быть вызван не только изменяющейся частотой внешнего воздействия, но и кратковременностью его. Например, при движении железнодорожного состава может оказаться так, что частота ударов колесных пар при пересечении поездом ЗТН окажется резонансной. И прохождение каждого вагона через эту зону (а точнее, прохождение каждой колесной пары) будет увеличивать амплитуду колебаний железнодорожного полотна и насыпи.
Здесь возможно два варианта развития событий. Либо количество вагонов окажется недостаточным, чтобы достичь амплитуды колебаний, при которой происходит разрушение насыпи, либо, если количество вагонов достаточно, в момент прохождения через эту зону определенного вагона происходит взрывоподобное разрушение насыпи, и этот вагон вместе с рельсами и шпалами проваливается в образовавшуюся яму. В результате, те вагоны, которые уже проскочили эту зону, отрываются от той части состава, которая преодолеть образовавшуюся яму не может. Как оказалось, этот тип железнодорожных аварий происходит довольно часто [8].
Последний вагон, который успевает проскочить ЗТН, подвергается в момент прохода этой зоны сильнейшей вибрации, о чем свидетельствуют люди, находившиеся в этом вагоне. Усиление вибрации до огромных значений перед взрывом реактора отметили и свидетели чернобыльской катастрофы.
Источником вибрационного воздействия на грунт, вызывающего горный удар, могут оказаться даже быстрые танцы группы молодежи. Именно так был разрушен совершенно новый дворец торжеств в Иерусалиме. По сути, здесь полная аналогия с мостом, разрушившимся от строевого шага воинского подразделения. Только мост сам имел в своем составе высокодобротную колебательную систему, а дворец торжеств разрушился в результате того, что высокодобротная система находилась под ним, в земной толще.
Проявления техногенных землетрясений отличаются от проявлений природных землетрясений разве что масштабом. Точно также образуются провалы в грунте и разрушаются те сооружения, которые оказались в зоне этих провалов. Одинаково возрастает амплитуда вибрации в обоих случаях. Но вот является ли одинаковым механизм их формирования? Открытие планетарной пульсации позволило ответить на этот вопрос положительно.
Образно говоря, можно сказать, что планетарная пульсация - это как бы дыхание Земли, которое ощущается только в ЗТН. Встречаясь с этим явлением вот уже несколько лет при проведении спектрально-сейсморазведочных работ, мы можем сказать, что планетарная пульсация является существенно нестационарным явлением. В одном и том же месте она возникает и исчезает. Так, неоднократно случалось, что при пересечении ЗТН колоссальная амплитуда колебаний планетарного происхождения не позволяла нам продолжать измерения на профиле. Однако возвратившись к этой точке на следующий день, мы эту пульсацию не отмечали. А кроме того, она изменяется по частоте. К сожалению, специальной аппаратуры для изучения этого явления пока что не существует, а то, что существует (аппаратура ССП), позволяет оценивать параметры планетарной пульсации лишь качественно.
Столь низкая частота этого природного явления является причиной того, что оно до сих пор не было выявлено. Косвенно планетарная пульсация проявляется при попытках осуществить точную геодезическую привязку. Геодезисты знают, что существуют некие зоны, где погрешность привязки увеличивается до 10см и более. Однако того, что это вызвано подвижностью земной поверхности, они не знали.
Как оказалось, планетарная пульсация для формирования природных землетрясений имеет такое же значение, как вибрация технических средств - для землетрясений техногенных.
Частота вибрации технических средств находится в пределах единиц - десятков Герц. Следовательно, в техногенных землетрясениях задействованы геологические структуры с мощностями до сотен метров. Период планетарной пульсации достигает минут, что соответствует мощностям, достигающим сотен километров. Соответственно, если техногенные землетрясения захватывают десятки-сотни квадратных метров поверхности, то природные - десятки-сотни квадратных километров.
Как техногенным, так и природным землетрясениям предшествует увеличение амплитуды колебаний. По-видимому, на это и реагируют животные, беспокойство которых возрастает перед землетрясениями.
Одним из объектов, поведение которого оказалось подтверждающим резонансную природу землетрясений, стал небоскреб высотой 500м, построенный на Тайване [4]. Это сооружение возведено в сейсмоактивной зоне, где до этого постоянно и практически непрерывно происходили слабые землетрясения, амплитуда которых не превышала 2 балла. После возведения небоскреба сила толчков увеличилась до 4-х баллов, а амплитуда колебаний этого здания существенно превышает расчетную. Объясняется это тем, что собственная частота небоскреба на изгибных колебаниях оказалась близка к частоте планетарной пульсации, что привело к возникновению явления, известного как биения. Биения представляют собой периодическое возрастание амплитуды колебаний с периодом, существенно (в сотни раз) превышающим период резонансной частоты. Моменты максимальных значений амплитуды биений воспринимается как толчки, сила которых увеличилась за счет раскачивания небоскреба. В случае биений амплитуда колебаний увеличивается в два раза, что, собственно и имеет место на Тайване.
Исследования в Гюмри (бывший Ленинакан, в Армении) показали, что дома и сооружения, находящиеся вне ЗТН, от землетрясения 1988 года не пострадали. Более того, если сооружение разрушилось от землетрясения частично, то, как оказалось, разрушилась только та часть, под которой залегает ЗТН. К настоящему времени этот город совершенно не преодолел последствия землетрясения 1998 года, и сопоставив визуально наблюдаемые разрушения домов с результатами ССП можно убедиться в непротиворечивости нашего подхода к физике развития природных землетрясений.
Изучение планетарной пульсации затруднено отсутствием метрологически корректных средств для регистрации сверхнизкочастотных сейсмосигналов. Дело в том, что все существующие на сегодняшний день сейсмоприемники на самом деле, вопреки записям в их паспортах, не являются широкополосными. Они содержат в своем составе весьма добротные колебательные системы, в результате чего электрический сигнал, снимаемый с сейсмоприемников, имеет спектр, определяемый самим сейсмоприемником, а не сейсмосигналом. А кроме того, сейсмоприемники оказываются нечувствительными к сейсмосигналам, спектр которых находится очень далеко от спектра сейсмоприемника.
По этой причине на сегодняшний день нет сейсмоприемников, чувствительных к колебаниям, соответствующим планетарной пульсации.
В связи с этим, возникает следующий вопрос. Сейсмологи, сейсмоприемники которых находятся недалеко от эпицентра землетрясения, утверждают, что перед землетрясением возникает увеличение амплитуды колебаний. Но планетарную пульсацию, амплитуда которой действительно увеличивается перед землетрясением, существующие сейсмоприемники зарегистрировать не могут. Анализ реальных сейсмограмм показывает, что период увеличивающейся перед землетрясением вибрации имеет значение порядка одной сек., что соответствует собственной частоте самого сейсмоприемника.
Получается следующая картина. Амплитуда планетарной пульсации возрастает перед землетрясением до такого значения, что начинаются разрушения пород, и вот этот-то шум, который при этом возникает, и регистрируется сейсмоприемниками. А поскольку сейсмоприемники являются высокодобротными колебательными системами, то шум этот регистрируется в виде гармонических колебаний с частотой, равной собственной частоте сейсмоприемников.
Сейчас представляется логичным следующий ход событий. Со временем, когда проблема регистрации сверхнизкочастотных колебаний будет решена, будут создаваться глобальные карты зон планетарной пульсации, поскольку это является реальным путем для создания методик прогнозирования землетрясений, а также техногенных катастроф.
