ГЕОХИМИЧЕСКИЙ МАЯТНИК
Подготовка землетрясения представляет собой необратимый лавинообразный процесс. Воображение подсказывает почти зримый образ того, как в недрах Земли назревает катастрофа. Увеличение амплитуды колебаний, возникающих в земных глубинах, хорошо вписывается в эту воображаемую картину. Но каким образом объяснить тот факт, что сначала амплитуда колебаний содержания гелия в природных водах стремительно растет, а потом вдруг столь же стремительно падает? Чтобы дать физическое объяснение обнаруженному явлению, рассмотрим, что собой представляет наблюдаемая нами геохимическая система. Гелий, присутствующий в воде, находится в ней в растворенном виде, а также в виде пузырьков газа, которые образуются либо в результате вскипания раствора вблизи земной поверхности, либо при выделении радиогенного гелия из толщи пород. В любом случае пузырьки газа сначала собираются на поверхности породы в окружающем скважину пространстве. Теперь представим, как из водопроводного крана капает вода. Точно так могут «капать» в воду пузырьки выделившегося газа. Таких «кранов» в объеме породы бесчисленное множество, и все они работают вразнобой. Если объем породы, в котором находятся «краны», встряхивать с определенной частотой, то отрывающиеся от породы пузырьки станут отделяться синхронно и амплитуда колебаний содержания свободного и растворенного газа в воде будет возрастать. Если же частота встряхиваний выше или ниже некоторого оптимального значения, то амплитуда колебаний не будет достигать своего максимума. Итак, возникает образ некоего геохимического маятника, способного входить в резонанс с вынуждающими колебаниями окружающей его среды. Выше уже шла речь о том, что в области подготовки землетрясения создаются механические колебания возрастающей частоты. Когда частота этих колебаний становится равной резонансной частоте колебаний геохимического маятника, возникает прогнозный сигнал. Если же частота механических колебаний становится еще выше, прогнозный сигнал исчезает. Такие представления о физических причинах наблюдаемого всплеска амплитуды колебаний гелия позволяют объяснять ряд обнаруженных нами закономерностей. Во-первых, отсутствие зависимости времени появления прогнозного сигнала от расстояния до очагов землетрясения. Время распространения механических импульсов, создаваемых в очаге, очень мало по сравнению со временем диффузии растворов и даже газов в земной коре — эту передачу можно считать практически мгновенной. Прогнозный же сигнал создается веществом (газом, химическими компонентами раствора), находящимся в горных породах в непосредственной близости от наблюдаемой скважины. Во-вторых, из сравниваемых двух скважин прогнозный сигнал сначала появляется в более мелкой, а затем — в более глубокой. Время появления сигнала зависит от резонансной частоты колебаний содержания гелия в скважине, а не от направления потока вещества. Более мелкая скважина имеет более низкую резонансную частоту и резонирует на более ранней стадии подготовки землетрясения. В-третьих, не раз наблюдалось, что прогнозные сигналы последующего землетрясения появлялись еще до того, как произошло предыдущее, т. е. «через голову» будущего события. Это можно объяснить тем, что, после того как один очаг землетрясения прошел через область резонансных частот и перестал воздействовать на наблюдаемую систему, очаг другого, следующего за ним землетрясения может быть обнаружен по тому же признаку, независимо от того, состоялось предыдущее землетрясение или нет. Подтверждением правильности изложенных здесь представлений может служить только повышение качества прогноза. Из нашей модели следует, что для успешного прогноза необходимо выбирать лишь определенные частоты колебаний содержания гелия. Только те частоты, которые близки к резонансной частоте наблюдаемой системы, несут необходимую информацию. Остальная же часть спектра может не только оказаться бесполезной, но и внести дополнительный «шум». Так, в одной из наблюдательных скважин наиболее информативный период колебаний содержания гелия составил всего 5,33 суток. Этот результат можно считать подтверждающим правильность предложенной нами модели, поскольку для колебаний с таким периодом была достигнута более высокая информативная значимость прогнозного сигнала, чем нам удавалось получить раньше. Вдобавок обнаружилось, что график ФВК имеет два максимума, а это может означать, что резонанс возникает не только на резонансной частоте системы, но и на кратных ей частотах. Если бы удалось воспользоваться этой зависимостью, то прогноз стал бы более надежным: по появлению первого прогнозного сигнала можно было бы прогнозировать время повторного сигнала, а в случае его появления — само землетрясение.
Перед нами стояла задача найти закономерность изменения частоты колебаний содержания гелия в природных водах в области подготовки землетрясения, а затем по времени появления повторного сигнала скорректировать прогноз. И такая закономерность была найдена. Однако его можно вывести достаточно просто, воспользовавшись аналогией с механическим маятником с равномерно изменяющейся массой. Но, к сожалению, эта модель не вполне подходит для описания явлений, связанных с прогнозными сигналами. Вместо обоснования более точной и более сложной модели рассмотрим совсем другой пример: колебания крышки кипящего чайника. Представим себе, что вода в чайнике не убывает, а наоборот, пополняется из некоторого резервуара. Скорость пополнения такова, что объем , занятый паром, равномерно уменьшается. Колебания крышки под действием избыточного давления будут происходить со все возрастающей частотой. Описанная модель полезна тем, что она позволяет рассмотреть такие геологические явления, как равномерное сжатие некоторого объема пород, претерпевших фазовый переход (реактор, заполненный кипящей жидкостью), равномерное перемещение этого объема пород (реактора) относительно сообщающегося с ним заполненного жидкостью резервуара, равномерное повышение уровня жидкости в резервуаре. Все эти явления, которые так или иначе сопровождают подготовку любого землетрясения, создают монотонное, направленное изменение состояния системы. Они-то и порождают колебания избыточного давления в реакторе (объеме пород) в соответствии с модельными уравнениями. Из предлагаемой модели следует, что через определенные интервалы времени (пропорциональные квадратам целых чисел) частота генератора должна быть кратна резонансной частоте приемной системы. Подбор численных параметров модели проводился нами по данным геохимических наблюдений, которое было сильнейшим за последние годы в изучаемом нами регионе. Самый сильный прогнозный сигнал был получен за 252 дня до землетрясения. Представим это число как 252=7Х62. Более близкие сигналы зафиксированы за 175 дней (7Х52), 112 дней (7Х42), 63 дня (7ХЗг), 28 дней (7Х22) и 7 дней. Самый последний сигнал нас уже не интересовал— он слишком близок к событию, чтобы использовать его для принятия решения о сейсмической опасности. Итак, у нас оставалось 5 признаков, по которым мы могли бы, если наши предположения верны, сделать «прогноз» землетрясения. (Слово «прогноз» здесь условно, поскольку это было обучение на уже состоявшемся событии.) После того как мы внесли небольшую поправку в расчеты (для этого пришлось вместо 2 использовать показатель степени 1,9), удалось добиться, чтобы прогнозный сигнал точно соответствовал дате сейсмического события. Внешний экзамен производился на Гиндукушском землетрясении 30 декабря 1983 г., которому также соответствовал значительный прогнозный сигнал и которое для района г. Душанбе было самым сильным за предшествующие годы. Полученный результат подтверждает пригодность найденной нами закономерности для уточнения прогноза. Зная, каким образом изменяется время между повторными сигналами, мы можем корректировать по ним прогнозную дату следующего землетрясения, а в случае отсутствия полной серии сигналов — заблаговременно дать «отбой» сейсмической опасности. В 1984 г. наблюдения были перенесены на новую скважину. Здесь по описанной схеме были получены сигналы 4 землетрясений: Гиндукушского (30 декабря 1983 г.). Кызылкумского (19 марта 1984 г.), Гиндукушского (29 июля 1985 г.) и Кайраккумского (13 октября 1985 г.). По той же схеме нами обрабатывались вспомогательные сигналы, чувствительные к глубинным и малоглубинным землетрясениям. Во всех случаях полный расчет прогнозного сигнала завершался не менее чем за 150 дней до землетрясения. Результат, на наш взгляд, обнадеживающий.
ТАК ЛИ СЛУЧАЙНЫ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ
Многие из результатов, которые нам удалось получить, были предопределены самим экспериментом. Но не обошлось и без сюрпризов. Еще в период работы на месторождении термальных вод Явроз мы обнаружили, что серии прогнозных сигналов, соответствующих различным землетрясениям, перекрывают друг друга, т. е. один и тот же всплеск геохимического признака оказывается сигналом, относящимся к различным землетрясениям. Время появления каждого сигнала перед землетрясением строго определенно. Но если существует связь между прогнозными сигналами, должна быть связь и между прогнозируемыми событиями. То же самое повторилось и при анализе результатов, полученных на месторождении Файзабад. Оказалось, что сводные сигналы каждой из двух пар землетрясений — Гиндукушского и Кызылкумского, Гиндукушского и Кайраккумского — создаются в значительной степени одними и теми же геохимическими аномалиями, что указывает на определенную взаимосвязь между отделенными друг от друга пространством и временем событиями. Это не форшоки или афтершоки, о взаимосвязи которых уже существуют определенные представления. И тем не менее эта связь отчетливо просматривается в том, что прогнозные сигналы, расставленные по строгому математическому правилу, захватывают серии землетрясений. Если 4 землетрясения происходят по точному «расписанию», о какой случайности крупных сейсмических событий можно говорить? Полученные результаты скорее указывают на незнание нами тех законов, по которым развиваются землетрясения. И в то же время этот результат повышает нашу уверенность в том, что надежный прогноз землетрясений возможен. Второй сюрприз был и неприятен, и приятен одновременно. Дело в том, что на новой скважине мы не обнаружили прогнозного сигнала от весьма сильного землетрясения, произошедшего в пустыне Кунь-Лунь 23 августа 1985 г. А коллеги из Ташкента, пользуясь той же методикой, получили такой сигнал, но зато не получили сигнала от Кызылкумского землетрясения. Что это — случайные ошибки или еще одна неустановленная закономерность? Мы склонны считать, что это явление имеет вполне учитываемые закономерные причины. Уже то, что обнаружилась связь между Гиндукушским и Кызылкумским землетрясениями, заставило нас обратиться к тектоническим картам Средней Азии. И тут мы обнаружили, что помимо значительных разломов, рассекающих территорию Таджикистана в широтном и северо-восточном направлениях, существуют гигантские разломы, видимые из космоса и протягивающиеся в северо-западном направлении. Детально проанализировав космические снимки этой территории и данные предыдущих исследователей тектоники региона, мы пришли к выводу, что, вероятнее всего, значительную роль во взаимодействии различных очагов землетрясений играют разломы северо-западного и меридионального направлений. Они-то в основном и влияют на характер распространения геохимических сигналов. На ошибках учатся. Опыт научил нас тому, что наблюдательная система чувствительна к очагам подготовки землетрясений лишь в пределах некоторого ограниченного сектора. А если так, то это можно учесть при прогнозе места будущего землетрясения. Такую возможность следует учесть и при расширении наблюдательной сети. В заключение следует сказать, что для того чтобы геохимический прогноз землетрясений стал реальностью, нам предстоит пройти еще немалый путь. И это путь в гору. Каждый следующий шаг дается все большим и большим трудом. Но мы надеемся, что путь, выбранный нами, правильный.
Подготовка землетрясения представляет собой необратимый лавинообразный процесс. Воображение подсказывает почти зримый образ того, как в недрах Земли назревает катастрофа. Увеличение амплитуды колебаний, возникающих в земных глубинах, хорошо вписывается в эту воображаемую картину. Но каким образом объяснить тот факт, что сначала амплитуда колебаний содержания гелия в природных водах стремительно растет, а потом вдруг столь же стремительно падает? Чтобы дать физическое объяснение обнаруженному явлению, рассмотрим, что собой представляет наблюдаемая нами геохимическая система. Гелий, присутствующий в воде, находится в ней в растворенном виде, а также в виде пузырьков газа, которые образуются либо в результате вскипания раствора вблизи земной поверхности, либо при выделении радиогенного гелия из толщи пород. В любом случае пузырьки газа сначала собираются на поверхности породы в окружающем скважину пространстве. Теперь представим, как из водопроводного крана капает вода. Точно так могут «капать» в воду пузырьки выделившегося газа. Таких «кранов» в объеме породы бесчисленное множество, и все они работают вразнобой. Если объем породы, в котором находятся «краны», встряхивать с определенной частотой, то отрывающиеся от породы пузырьки станут отделяться синхронно и амплитуда колебаний содержания свободного и растворенного газа в воде будет возрастать. Если же частота встряхиваний выше или ниже некоторого оптимального значения, то амплитуда колебаний не будет достигать своего максимума. Итак, возникает образ некоего геохимического маятника, способного входить в резонанс с вынуждающими колебаниями окружающей его среды. Выше уже шла речь о том, что в области подготовки землетрясения создаются механические колебания возрастающей частоты. Когда частота этих колебаний становится равной резонансной частоте колебаний геохимического маятника, возникает прогнозный сигнал. Если же частота механических колебаний становится еще выше, прогнозный сигнал исчезает. Такие представления о физических причинах наблюдаемого всплеска амплитуды колебаний гелия позволяют объяснять ряд обнаруженных нами закономерностей. Во-первых, отсутствие зависимости времени появления прогнозного сигнала от расстояния до очагов землетрясения. Время распространения механических импульсов, создаваемых в очаге, очень мало по сравнению со временем диффузии растворов и даже газов в земной коре — эту передачу можно считать практически мгновенной. Прогнозный же сигнал создается веществом (газом, химическими компонентами раствора), находящимся в горных породах в непосредственной близости от наблюдаемой скважины. Во-вторых, из сравниваемых двух скважин прогнозный сигнал сначала появляется в более мелкой, а затем — в более глубокой. Время появления сигнала зависит от резонансной частоты колебаний содержания гелия в скважине, а не от направления потока вещества. Более мелкая скважина имеет более низкую резонансную частоту и резонирует на более ранней стадии подготовки землетрясения. В-третьих, не раз наблюдалось, что прогнозные сигналы последующего землетрясения появлялись еще до того, как произошло предыдущее, т. е. «через голову» будущего события. Это можно объяснить тем, что, после того как один очаг землетрясения прошел через область резонансных частот и перестал воздействовать на наблюдаемую систему, очаг другого, следующего за ним землетрясения может быть обнаружен по тому же признаку, независимо от того, состоялось предыдущее землетрясение или нет. Подтверждением правильности изложенных здесь представлений может служить только повышение качества прогноза. Из нашей модели следует, что для успешного прогноза необходимо выбирать лишь определенные частоты колебаний содержания гелия. Только те частоты, которые близки к резонансной частоте наблюдаемой системы, несут необходимую информацию. Остальная же часть спектра может не только оказаться бесполезной, но и внести дополнительный «шум». Так, в одной из наблюдательных скважин наиболее информативный период колебаний содержания гелия составил всего 5,33 суток. Этот результат можно считать подтверждающим правильность предложенной нами модели, поскольку для колебаний с таким периодом была достигнута более высокая информативная значимость прогнозного сигнала, чем нам удавалось получить раньше. Вдобавок обнаружилось, что график ФВК имеет два максимума, а это может означать, что резонанс возникает не только на резонансной частоте системы, но и на кратных ей частотах. Если бы удалось воспользоваться этой зависимостью, то прогноз стал бы более надежным: по появлению первого прогнозного сигнала можно было бы прогнозировать время повторного сигнала, а в случае его появления — само землетрясение.
«ЗРИ В КОРЕНЬ!»
Перед нами стояла задача найти закономерность изменения частоты колебаний содержания гелия в природных водах в области подготовки землетрясения, а затем по времени появления повторного сигнала скорректировать прогноз. И такая закономерность была найдена. Однако его можно вывести достаточно просто, воспользовавшись аналогией с механическим маятником с равномерно изменяющейся массой. Но, к сожалению, эта модель не вполне подходит для описания явлений, связанных с прогнозными сигналами. Вместо обоснования более точной и более сложной модели рассмотрим совсем другой пример: колебания крышки кипящего чайника. Представим себе, что вода в чайнике не убывает, а наоборот, пополняется из некоторого резервуара. Скорость пополнения такова, что объем , занятый паром, равномерно уменьшается. Колебания крышки под действием избыточного давления будут происходить со все возрастающей частотой. Описанная модель полезна тем, что она позволяет рассмотреть такие геологические явления, как равномерное сжатие некоторого объема пород, претерпевших фазовый переход (реактор, заполненный кипящей жидкостью), равномерное перемещение этого объема пород (реактора) относительно сообщающегося с ним заполненного жидкостью резервуара, равномерное повышение уровня жидкости в резервуаре. Все эти явления, которые так или иначе сопровождают подготовку любого землетрясения, создают монотонное, направленное изменение состояния системы. Они-то и порождают колебания избыточного давления в реакторе (объеме пород) в соответствии с модельными уравнениями. Из предлагаемой модели следует, что через определенные интервалы времени (пропорциональные квадратам целых чисел) частота генератора должна быть кратна резонансной частоте приемной системы. Подбор численных параметров модели проводился нами по данным геохимических наблюдений, которое было сильнейшим за последние годы в изучаемом нами регионе. Самый сильный прогнозный сигнал был получен за 252 дня до землетрясения. Представим это число как 252=7Х62. Более близкие сигналы зафиксированы за 175 дней (7Х52), 112 дней (7Х42), 63 дня (7ХЗг), 28 дней (7Х22) и 7 дней. Самый последний сигнал нас уже не интересовал— он слишком близок к событию, чтобы использовать его для принятия решения о сейсмической опасности. Итак, у нас оставалось 5 признаков, по которым мы могли бы, если наши предположения верны, сделать «прогноз» землетрясения. (Слово «прогноз» здесь условно, поскольку это было обучение на уже состоявшемся событии.) После того как мы внесли небольшую поправку в расчеты (для этого пришлось вместо 2 использовать показатель степени 1,9), удалось добиться, чтобы прогнозный сигнал точно соответствовал дате сейсмического события. Внешний экзамен производился на Гиндукушском землетрясении 30 декабря 1983 г., которому также соответствовал значительный прогнозный сигнал и которое для района г. Душанбе было самым сильным за предшествующие годы. Полученный результат подтверждает пригодность найденной нами закономерности для уточнения прогноза. Зная, каким образом изменяется время между повторными сигналами, мы можем корректировать по ним прогнозную дату следующего землетрясения, а в случае отсутствия полной серии сигналов — заблаговременно дать «отбой» сейсмической опасности. В 1984 г. наблюдения были перенесены на новую скважину. Здесь по описанной схеме были получены сигналы 4 землетрясений: Гиндукушского (30 декабря 1983 г.). Кызылкумского (19 марта 1984 г.), Гиндукушского (29 июля 1985 г.) и Кайраккумского (13 октября 1985 г.). По той же схеме нами обрабатывались вспомогательные сигналы, чувствительные к глубинным и малоглубинным землетрясениям. Во всех случаях полный расчет прогнозного сигнала завершался не менее чем за 150 дней до землетрясения. Результат, на наш взгляд, обнадеживающий.
ТАК ЛИ СЛУЧАЙНЫ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ
Многие из результатов, которые нам удалось получить, были предопределены самим экспериментом. Но не обошлось и без сюрпризов. Еще в период работы на месторождении термальных вод Явроз мы обнаружили, что серии прогнозных сигналов, соответствующих различным землетрясениям, перекрывают друг друга, т. е. один и тот же всплеск геохимического признака оказывается сигналом, относящимся к различным землетрясениям. Время появления каждого сигнала перед землетрясением строго определенно. Но если существует связь между прогнозными сигналами, должна быть связь и между прогнозируемыми событиями. То же самое повторилось и при анализе результатов, полученных на месторождении Файзабад. Оказалось, что сводные сигналы каждой из двух пар землетрясений — Гиндукушского и Кызылкумского, Гиндукушского и Кайраккумского — создаются в значительной степени одними и теми же геохимическими аномалиями, что указывает на определенную взаимосвязь между отделенными друг от друга пространством и временем событиями. Это не форшоки или афтершоки, о взаимосвязи которых уже существуют определенные представления. И тем не менее эта связь отчетливо просматривается в том, что прогнозные сигналы, расставленные по строгому математическому правилу, захватывают серии землетрясений. Если 4 землетрясения происходят по точному «расписанию», о какой случайности крупных сейсмических событий можно говорить? Полученные результаты скорее указывают на незнание нами тех законов, по которым развиваются землетрясения. И в то же время этот результат повышает нашу уверенность в том, что надежный прогноз землетрясений возможен. Второй сюрприз был и неприятен, и приятен одновременно. Дело в том, что на новой скважине мы не обнаружили прогнозного сигнала от весьма сильного землетрясения, произошедшего в пустыне Кунь-Лунь 23 августа 1985 г. А коллеги из Ташкента, пользуясь той же методикой, получили такой сигнал, но зато не получили сигнала от Кызылкумского землетрясения. Что это — случайные ошибки или еще одна неустановленная закономерность? Мы склонны считать, что это явление имеет вполне учитываемые закономерные причины. Уже то, что обнаружилась связь между Гиндукушским и Кызылкумским землетрясениями, заставило нас обратиться к тектоническим картам Средней Азии. И тут мы обнаружили, что помимо значительных разломов, рассекающих территорию Таджикистана в широтном и северо-восточном направлениях, существуют гигантские разломы, видимые из космоса и протягивающиеся в северо-западном направлении. Детально проанализировав космические снимки этой территории и данные предыдущих исследователей тектоники региона, мы пришли к выводу, что, вероятнее всего, значительную роль во взаимодействии различных очагов землетрясений играют разломы северо-западного и меридионального направлений. Они-то в основном и влияют на характер распространения геохимических сигналов. На ошибках учатся. Опыт научил нас тому, что наблюдательная система чувствительна к очагам подготовки землетрясений лишь в пределах некоторого ограниченного сектора. А если так, то это можно учесть при прогнозе места будущего землетрясения. Такую возможность следует учесть и при расширении наблюдательной сети. В заключение следует сказать, что для того чтобы геохимический прогноз землетрясений стал реальностью, нам предстоит пройти еще немалый путь. И это путь в гору. Каждый следующий шаг дается все большим и большим трудом. Но мы надеемся, что путь, выбранный нами, правильный.
