Катастрофы в природе: землетрясения

Микросейсмы и сейсмический шум

Если вглядеться в сейсмограмму, то линии записи в отсутствии землетрясений никогда не бывают ровными. Это фиксируются очень слабые колебания, источниками являются различные явления – ветер, колебания воды в водоемах или удары воды о береговые линии и т. д. Микросейсмы начали исследовать в конце XIX века, когда Эмиль Вихерт предположил, они вызываются ударами морских волн о берега. Затем представления о природе генерации микросейсмических колебаний значительно расширилось. Оказалось, что часть из них возбуждаются стоячими морскими волнами в морях и океанах при прохождении циклонов.

Микросейсмы регистрируются в широком частотном диапазоне, и служат фоном определяющим порог чувствительности сейсмографов. Поэтому, при наблюдениях за землетрясениями стараются выбрать такую чувствительность приборов, чтобы записи не искажались помехами или шумами. Тем не менее, изучение микросейсм представляет самостоятельный интерес, так как механизмы их генерации и особенности спектрального распределения до сих пор не совсем ясны.

Было установлено повсеместное присутствие микросейсм. Также была обнаружена корреляция между характерными периодами микросейсм и средними периодами морских гравитационных волн. В 1989 году во время 45-го рейса научно-исследовательского судна «Дмитрий Менделеев» с помощью широкополосной донной станции удалось сделать уникальную запись микросейсмических шумов на дне Эгейского моря и практически одновременно гравитационных волн на его поверхности.

В 1913 году детальное изучение микросейсмических колебаний провёл академик Голицын на сейсмических станциях в Пулково, Иркутске, Ташкенте, Тифлисе и Баку. Им было высказано предположение, что помимо причин связанных с метеорологической обстановкой, микросейсмы могут быть связаны и с особенностями внутреннего строения планеты. Исследования волнового состава микросейсмических колебаний показали преобладание в их структуре поверхностных сейсмических волн (Релея и Лява), однако, отмечалось присутствие и объемных продольных и поперечных волн. Попытки определения направлений и расстояний до источников микросейсм давали противоречивые результаты.

Микросейсмы, вызываемые стоячими водяными волнами циклонов в океанах, распространяются на огромные расстояния. Область стоячих водяных волн генерирует периодически изменяющееся давление на дно океана, которое не затухает с глубиной. Под влиянием этого давления в земной коре возникают слабые колебания – штормовые микросейсмы. Их записывают все сейсмические станции мира. Например, микросейсмы от атлантических циклонов фиксируют не только станции, расположенные на европейском континенте, но и в Азии – Ашхабаде и Ташкенте, Сибири – в Иркутске и Новосибирске и многих других местах.

Другая часть микроколебаний, т.н. сейсмический шум, порождаются городами, транспортом всем тем, что так или иначе связано с деятельностью человека. Если посмотреть на записи подобных колебаний, то в них заметны «антропогенные циклы» – начало и конец рабочего дня, воскресные дни и, даже, перерывы на обеденное время. Шумы большого города связаны с одновременным действием большого количества источников. Поэтому сейсмические станции выносят за пределы городских территорий.

В зависимости от своей природы сейсмический шум может оказаться полезным для прогноза сильных землетрясений. Так, при анализе гидроакустических записей с шельфа Камчатского полуострова были выделены два типа сигналов, предваряющих землетрясения. Это микроземлетрясения с гипоцентрами близкими к очагу главного землетрясения и сейсмический шум, который сопровождает тектоническую подвижку.

Почти пятьдесят лет назад академик Гамбурцев предлагал различать микросейсмы глубинного и поверхностного происхождения. Им были обнаружены микросейсмические явления, названные им «сейсмоакустическими», которые иногда называют сейсмической или акустической эмиссией. Их исследование представляет интерес с точки прогноза землетрясений.

Традиционно высокочастотные сейсмические шумы (ВСШ) в диапазоне первых десятков герц рассматривались как помеха. Впервые они исследованы как источник геофизической информации группой ученых под руководством член-корреспондента РАН Л.Н.Рыкунова. Было обнаружено, что ВСШ модулируются длиннопериодными деформационными процессами, одним из которых является приливы.

На основе достижений в области средств цифровой регистрации микросейсмических шумов развивается технология пассивного сейсмического мониторинга разработок месторождений нефти и газа. Т.н. метод эмиссионной томографии. В нефтегазовой индустрии он применяется для диагностической визуализации гидроразрывов пластов при добыче углеводородов или трассировки потоков флюидов. Он используется для картирования термальных фронтов, обнаружения разломов в окрестности подземных газовых хранилищ и т. д.

Разработаны методы определения по микросейсмам частот колебаний грунтов или собственных колебаний уже построенного сооружения. Они отражают характерные периоды сотрясений всего комплекса, т.е. грунтов, фундамента и самого здания.

Зная диапазон периодов наиболее опасных колебаний от землетрясений, и сравнивая его с выявленными собственными микроколебаниями сооружения, можно заблаговременно принять меры к увеличению его сейсмостойкости. Подобные эксперименты проводились автором совместно с учеными Израиля для оценки сейсмической опасности территории города Ашхабада в Туркменистане.

Сейсмические исследования в России

В течение многих лет в России существуют несколько сейсмических станций, результаты наблюдений которых публикуются в ежегодных Бюллетенях Постоянной центральной сейсмической комиссии… для такой страны как Россия, некоторые части которой сильно страдают от землетрясений, число этих станций слишком мало…

    Б.Б.Голицын, 1912 год

Проблема стихийных бедствий актуальна для России с учётом огромной территории страны. По неполным данным в 1965 – 1999 годах здесь от природной стихии погибло более 4,5 тысяч человек, а пострадало около 540 тысяч. По данным В.И.Уломова (1998): «Свыше четверти территории Российской Федерации подвержено сейсмическим воздействиям, требующим проведения антисейсмических мероприятий. Значительную площадь занимают чрезвычайно опасные в сейсмическом отношении VIII – IX и IX – X-балльные зоны. К ним относятся Дальний Восток и весь юг Сибири».

В европейской части России таким сейсмически опасным регионом является Северный Кавказ. Ощутимые и VI – VII балльные сейсмические сотрясения происходили на Среднем Урале и Приуралье, Поволжье, Кольском полуострове и сопредельной с ним территории. Известны землетрясения в южной Якутии в среднем течении реки Олекма в 1958 и 1967 годах (Нюкжинское 1958 года с М = 6.5, Олекминское 1958 года с М = 6.4, Тас-Урякское 1967 года с М = 7.0, Южно-Якутское 1989 года с М = 6,6.

Техногенная сейсмичность характерна для нефтедобывающих районов Татарстана, Башкортостана и Чечни. Известны землетрясения в Воронежской области, где расположена Ново-Воронежская АЭС. Угроза землетрясений растёт по мере освоения сейсмоактивных территорий и строительства в их пределах ответственных сооружений.

В 2001 году Правительством Российской Федерации на 2002 – 2010 годы принята федеральная целевая программа «Сейсмобезопасность территории России». Её целью является: «Повышение сейсмической безопасности населения, снижение социального, экономического, экологического риска в сейсмически опасных районах Российской Федерации, уменьшение ущерба от разрушительных землетрясений путём усиления и реконструкции существующих сооружений, а также подготовки городов, других населенных пунктов, транспортных, энергетических и иных объектов и магистралей к сильным землетрясениям».

В 2000 году под редакцией В.И.Уломова опубликован комплект карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации (ОСР-97). Эта разработка включена Госстроем России в новую редакцию строительных норм и правил (СНиП).

Карта ОСР-97С общего сейсмического районирования территории Российской Федерации (Уломов, Шумилина, 2000). Более интенсивным оранжево-красными цветами выделены сейсмоопасные области.

Сведения о землетрясениях происходивших на территории России содержаться в исторических документах XVII – XVIII веков. Огромная территория и разнообразие географических зон стимулировали интерес ученых к природным явлениям и геологии страны. Еще Ломоносов понимал, что землетрясение это не только катастрофа, но и источник знаний.

Работами учёных А.П.Орлова, И.В.Мушкетова и многих других заложены основы отечественной сейсмологии. В 1893 году Мушкетов закончил и издал посмертный труд Орлова «Каталог землетрясений Российской Империи».

В 1902 году в журнале «Нива» журналист М.И.Лисовский писал: «В южной полосе России, а в особенности на Кавказе, в среднеазиатских владениях и Сибири землетрясения были очень часты и очень сильны. Землетрясения на Кавказе, в среднеазиатских владениях и Сибири происходят столь часто, что даже из одного только простого перечня их мог составиться большой печатный том. По статистическим данным проф. И.В.Мушкетова и А. Орлова, случай землетрясения бывают средним числом ежегодно на Кавказе в продолжение 4,4 дней, в восточной Сибири и среднеазиатских владениях – 2,9 дней, в южных и средних губерниях Европ. России – 1,38 дня и в северных губ. – 0,18 дня».

В 1887 и 1911 годах произошли разрушительные землетрясения в г. Верном (ныне Алматы в Казахстане). В 1895 году произошло сильнейшее землетрясение в г. Красноводске (ныне Туркменбаши в Туркменистане). В 1902 году разрушительные землетрясения произошли в г. Андижане (Узбекистан) и Шемахе (Азербайджан).

Последствия подземных ударов выдвинули в ряд первостепенных задачу изучения их природы и мест, где они происходят. Их постановка связана с именем академика Б.Б.Голицына. Он разработал передовую для начала XX века систему гальванометрической регистрации сейсмических колебаний. Заложил методологические основы отечественной и мировой сейсмометрии.

Благодаря научным трудам Голицына русская сейсмология в начале XX века заняла ведущее место в мировой науке, а его сейсмометры стали прообразом современной аппаратуры для изучения землетрясений и разведки полезных ископаемых сейсмическим методом.

В 1873 году в Ташкенте (Узбекистан) открыта сейсмическая станция «Ташкент».

В 1900 году при Российской академии наук учреждается Постоянная сейсмическая комиссия (ПЦСК), в которую вошёл Б.Б.Голицын, а председателем стал директор Пулковской обсерватории академик О. А. Баклунд.

В 1900 году выделены средства на организацию и содержание сейсмических станций в Тифлисе, Иркутске и Ташкенте. Было признано целесообразным создать сейсмостанции второго разряда и оснастить их приборами Боша (семь станций на Кавказе, в Сибири и Туркестане).

В 1901 году по инициативе Б.Б.Голицына и И.В.Мушкетова открыта Ташкентская сейсмическая станция – первая в Центральной Азии.

В 1901 – 1902 годах организуются сейсмостанции первого разряда в Тифлисе, Ташкенте, Иркутске и Москве.

В 1902 году сейсмические наблюдения начаты в Москве (Межевой институт), Павловске, Шемахе, Батуми.

В 1903 году в Ереване, Боржоми, Алалкалаках, Баку, Балахаках, Красноводске, Красноярске, Кабажске и Чите приступили к наблюдениям сейсмические станции второго разряда.

В 1904 году Сейсмическая комиссия России вошла в состав Международной сейсмологической ассоциации. Представителем России в постоянной Комиссии международной сейсмологической ассоциации стал профессор Юрьевского университета Г.В.Левицкий.

В 1905 году на заседании ПЦСК по предложению подкомиссии, которую возглавлял Б.Б.Голицын, намечено устройство новых постоянных сейсмических станций второго разряда, в том числе и сейсмостанции в Екатеринбурге, которую было намечено создать при магнитно-метеорологической обсерватории. Открыта сейсмостанция в Дербенте.

В 1906 году академик Б.Б.Голицын создал первый сейсмограф преобразующий механические колебания в электрические.

В 1906 году открыты сейсмические станции в Верном и Екатеринбурге.

В 1908 году открыта сейсмическая станция в Зурнабе.

В 1910 году на заседании ПЦСК обсужден вопрос о выборе места для новых сейсмостанций. Б.Б.Голицын предложил учредить две дополнительные станции первого разряда. Одна станция должна быть создана во Владивостоке, а другая в Екатеринбурге или в Томске.

В 1911 году Б.Б.Голицын избран председателем Международной ассоциации сейсмологии (МАС). Голицын прочитал классический курс лекций по сейсмологии. Их официальными слушателями были девять человек, из которых шесть человек были приглашены по рекомендации физико-математического факультета Бестужевских высших женских курсов, где Б.Б.Голицын читал курс термодинамики.

В 1911 году в России появились первые региональные сейсмические станции.

В 1912 году с 14 сентября начинают работу два высокочувствительных горизонтальных сейсмографа Б.Б.Голицына с гальванометрической регистрацией. До этого времени на станции использовались приборы с механической регистрацией колебаний почвы – по два маятника Омори-Боша и Цёльнера-Репсольда, один маятник Мильна.

В 1914 году геолог Н.П.Васильковский и сейсмологи Г.В.Попов и М.П.Репников проводят первые детальные исследования сейсмической активности территории Центральной Азии.

В 1915 году в Петропавловске-Камчатском открыта первая сейсмическая станция на Камчатке.

В 1917 году из-за всеобщей разрухи и отсутствия фотоматериалов сейсмостанции в России практически прекратили свою работу.

В 1924 году на Ташкентской сейсмостанции установлен механический сейсмограф конструкции заведующего станцией Г.В.Попова. Его прибор регистрировал колебания на закопченной бумаге.

В 1925 году в Узбекистане возобновлена работа Самаркандской сейсмической станции.

В 1927 году П.М.Никифоров сконструировал новый сейсмограф, названный по его имени. Длительное время сейсмические станции СССР были оснащены этим типом приборов.