Газовая и волновая динамика - часть 50

2. Землетрясения и ихпрогноз

Землетрясение есть следствие динамически распространяющегося со скоростью
несколько км/сек разрыва в толще земных недр (литосфере). Под очагом землетрясе-
ния понимается разрыв (трещина в литосфере) или система разрывов, генерирующая
упругие волны. Когда подобные волны достигают земной поверхности и происходит
землетрясение. По современным воззрениям землетрясения возникают в результате
внезапной разрядки имеющихся в литосфере механических напряжений [8].

Существующие пояса наиболее сильной сейсмичности сегодня обычно объясня-

ются тектоникой литосферных плит. Возникнув первоначально как кинематическая
модель, тектоника плит способствовала быстрому развитию геодинамики — научной
дисциплины, занимающейся изучением внутренних движений и деформаций земной
коры, анализом их причин и взаимосвязями с другими процессами. Хотя полной
ясности еще нет, однако по последним представлениям причинами движения ли-
тосферных плит являются тепловая конвекция внутри Земли [9] и динамические
эффекты сложного нагружения по А. А. Ильюшину из-за собственного вращения
планеты и сил гравитационного взаимодействия с другими телами Солнечной систе-
мы [10, 11].

Ключевую роль в эволюции литосферы Земли по современным представлениям

играют процессы субдукции (поддвига), когда одна плита при встрече заталкивается
под другую; спрединга (растяжения) и скольжения литосферных плит вдоль транс-
формных разломов, с которыми и связано большинство сильных землетрясений [12].
При этом на границах плит возникают высокие упругие напряжения, вызывающие
разрывы в литосфере, образование трещин и их схлопывание, и как следствие —
землетрясения.

Теоретическую основу моделей подготовки землетрясений составляют методы ме-

ханики сплошных сред и физики разрушения горных пород. Наиболее известны три
группы моделей, относящиеся к упруго-пластическому деформированию, лавинно-
неустойчивому трещинообразованию и дилатантно-диффузионным процессам. К со-
жалению, адекватно описывая процесс подготовки землетрясений, эти модели не
дают достоверных прогностических признаков о времени их начала [8, 13 – 15].

Следует подчеркнуть, что методика долгосрочного (годы – десятилетия) сейсми-

ческого прогноза разработана в трудах академика Федотова С. А., а вот с кратко-
срочным (недели – месяцы) и особенно оперативным (часы – сутки) прогнозом зем-
летрясений дело обстоит неудовлетворительно, несмотря на то, что сегодня известно
около трехсот различных предвестников сильных землетрясений. И если долгосроч-
ный прогноз позволяет избегать строительства опасных объектов типа химических
производств (или АЭС на Камчатке, которое было прекращено благодаря усилиям
Федотова С. А.), то надежный оперативный прогноз позволит спасать человеческие
жизни.

До недавнего времени было принято считать, что трагическим воздействиям при-

родных катастроф геолого-геоморфологического типа (землетрясений, цунами, из-
вержений вулканов, схода оползней, селей или лавин. . . ) в максимальной степени

204

подвержены наиболее бедные и слаборазвитые страны, тогда как в развитых об-
ществах ущерб в основном выражается в больших деньгах, а не в человеческих
жертвах. Однако последнее землетрясение в Кобе (Япония, 1996 г.) поставило под
сомнение это представление: жертв тоже было много, несмотря на хорошо органи-
зованный сейсмический мониторинг. Увеличение плотности техносферы на Земле и
отмечаемый в последнее время рост количества природных катастроф повышает риск
их сопровождения спровоцированными техногенными катастрофами [8], что может
на порядки увеличить возможный ущерб. Так что в наши дни роль надежного опе-
ративного прогноза землетрясений многократно возрастает.

Сегодня многочисленные опытные данные позволяют идентифицировать различ-

ные типы предвестников землетрясений: акустические, световые, гидрогеодинамиче-
ские, сейсмические, геохимические и электромагнитные [13 – 19].

Если об акустических, гидрогеодинамических и световых предвестниках перед

началом сильных землетрясений писали исследователи еще в прошлых веках, в чис-
ле которых был и Ломоносов

1

, то геохимические и электромагнитные стали усиленно

изучаться в последние десятилетия XX века. Поводом к этому послужили инстру-
ментальные открытия аномального увеличения: 1) содержания радона в термомине-
ральной воде глубинного происхождения перед Ташкентским землетрясением 1966
г. и 2) атмосферного электрического поля (АЭП) в районе Джалалабада перед Кур-
шабскими землетрясениями в 1924 г., Чаткальским (1946 г.) и Хаитским (1949 г.)
землетрясениями [16]. А за 5 часов до Ташкентского (1966 г.) землетрясения было
зарегистрировано аномальное возмущение, характеризующееся изменением направ-
ления АЭП на противоположное нормальному ходу.

Следует подчеркнуть, что первая теоретическая модель сейсмоэлектрического эф-

фекта была дана в оригинальной статье [14], однако в среде геофизиков она пони-
мания и широкого отклика тогда не нашла. . .

3. «Самолетная» модель сейсмоэлектрического эффекта

Систематическое изучение СЭМЯ было начато в 70-х годах Воробьевым А. А. и
сформировалось сегодня в отдельное направление геофизики с обширным факти-
ческим материалом [15 – 19]. Накопленные данные позволяют утверждать, что за-
вершающая стадия подготовки сильного землетрясения в литосфере оказывает за-
метное влияние на электромагнитные и другие явления, развивающиеся в верхних
геосферных оболочках. Это сопровождается всплесками акустической эмиссии, ано-
мального электромагнитного излучения (ЭМИ), вариаций квазистатического АЭП и

1

М. В. Ломоносов в трактате «О слоях земных» писал: «Выключая чудесные и маловероятные

предсказания, действие так происходило. Вдруг слышен стал во всем городе треск, как от
великого пожара. . . Воздухшумел беспрестанно и показывал в себе разные пламенные виды и
умножал страхнекоторым визгом», а в «Слове о рождении металлов от трясения Земли», описывая
четыре основных типа землетрясений по видам движения земной поверхности, уточнял: «Между тем
предваряют и в то же время бывают подземные стенания, урчания, иногда человеческому крику
и оружейному треску подобные звучания. Протекают из недра земли источники и новые воды,
рекам подобные; дым, пепел, пламень, совокупно следуя, умножают ужас смертных» [1].

205

Рис. 1.

теллурических токов. Несмотря на тридцатилетний срок исследований СЭМЯ эти
прогностические параметры все еще относят к нетрадиционным, ибо до настояще-
го времени не существует общепринятого физического объяснения различных типов
СЭМЯ.

В [18] выделены две основные гипотезы сейсмоэлектрического эффекта: модель

активных поверхностных излучателей и концепция ионосферно-волноводного рас-
пространения атмосфериков, тогда как гипотеза о «подземных грозах» отнесена к
разряду экзотических. В настоящей работе фактически показано, что гипотеза Во-
робьева А. А. о «подземных грозах» таковой не является.

Следует подчеркнуть, что регистрируемые типы аномалий ЭМИ и АЭП (далее

для краткости будем говорить лишь об АЭП, подразумевая при этом аномалии элек-
тромагнитного поля) не укладываются в простую схему, но можно выделить четыре
основных вида [18] их проявления во времени (рис. 1):

1.

возмущение обладает характерным образом сигнала-предвестника, проходя по-
следовательно стадии роста, квазинасыщения и сброса до невозмущенного
уровня в момент землетрясения;

206

2.

возмущение с «фазой замирания» вплоть до изменения АЭП на обратное, ко-
торое выходит на фоновый уровень непосредственно перед землетрясением или
после резкого всплеска;

3.

возмущение колоколообразной формы типа кривой Гаусса со спадом к фоновому
значению (иногда возможен «нырок») перед землетрясением;

4.

аналогичное возмущение колоколообразной формы без «нырка», но момент на-
чала землетрясения на записи сигнала не идентифицируется.

Развитие подобных возмущений АЭП во времени может предварять начало силь-

ного землетрясения от десятка минут до нескольких часов и даже суток. Другие
типы возмущений АЭП при единичных землетрясениях получаются простой супер-
позицией этих основных видов. При интенсивной форшоковой или афтершоковой
активности виды возмущений могут быть сложнее [15 – 18].

В настоящей работе предложена «самолетная» модель сейсмоэлектрического эф-

фекта на основе магнитогидродинамической аналогии (МАГДА) между полями ско-
рости v и завихренности 

ω несжимаемой идеальной жидкости, обтекающей крыло

самолета, и геомагнитным полем 

H с соответствующим ему электрическим током j.

Роль крыла изменяемой геометрии (за счет предкрылков и закрылков) в этой анало-
гии играет процесс развития магистральной трещины и ее разрушение в результате
землетрясения. Гидродинамический аналог сейсмоэлектрического эффекта опирает-
ся на теорию крыла самолета, развитую в широко известных трудах аэромехаников
советской школы (Чаплыгин-Голубев-Кочин-Седов) [20 – 23] и восходит к идеям
Жуковского о присоединенном вихре крыла.

МАГДА следует из простого сравнения кинематических краевых задач:

обтекание крыла самолета:

⎧

⎨
⎩

div v = 0



rot v = 0

вне контура C

rot v = 2

ω

внутри контура C

{v

n

} |

C

= 0,

r

→ ∞ : v → v

0

(1)

сейсмоэлектрический эффект:

⎧

⎨
⎩

div 

H = 0



rot 

H = 0

вне контура C

rot 

H = j

внутри контура C





H



|

C

= 0,

r

→ ∞ : 

H

→ 

H

0

(2)

где фигурные скобки означают скачок соответствующей величины, индекс n — нор-
мальную компоненту к контуру C профиля крыла самолета или соответствующей
ему трещины в «самолетной» модели сейсмоэлектрического эффекта.

Заметим, что этот кинематический вид МАГДА достаточно хорошо известен еще

со времен Гельмгольца, который в 1858 г. установил аналогию между вихревыми и

207