Твердь о трех китах

Изучение твердой оболочки Земли и ее поведения — жизненная необходимость для многих миллионов людей. Жители Японии, Камчатки и Курильской гряды, Чили и Перу, Океании могут в любой момент оказаться жертвами очередной природной катастрофы, которая способна унести десятки и сотни тысяч жизней. Именно поэтому очень важно научиться предсказывать такие страшные природные катаклизмы, как землетрясения и цунами. И за последнее десятилетие ученые сделали большой рывок к возможности такого прогноза.

 

В начале 1960-х годов в науках о Земле произошла революция с возникновением новой парадигмы — тектоники литосферных плит. Она гласит, что твердый слой литосферы около 100 километров толщиной разбит на ряд крупных плит, которые движутся по поверхности планеты в горизонтальном направлении. Они взаимодействуют: где-то сближаются, где-то расходятся, где-то скользят друг относительно друга. И такими движениями плит определяется вся геологическая деятельность на Земле: вулканизм, землетрясения, возникновение осадочных бассейнов. 

Там, где плиты расходятся, образуются так называемые рифтовые зоны или зоны спрединга, и если процесс длится долго, образуются океаны. Так образовался Атлантический океан, ведь когда-то берега Южной Африки и Южной Америки были сомкнуты. Они до сих пор имеют схожий контур береговой линии. Северная Америка и Западная Европа тоже были сомкнуты. Еще примерно 200–250 миллионов лет назад существовал единый континент Пангея. 

 

При сближении плит возникает зона коллизии и появляются такие горы, как Памир или Гималаи. Последние, к примеру, возникли потому, что Индийская плита двигалась на север и наконец врезалась в Евразийскую. 

Океанская плита может продвигаться под континентальную. При этом движении возникают островные дуги, как Курило-Камчатская зона. В таких местах возникают самые сильные землетрясения на Земле с магнитудами примерно 8–8,5. Здесь же часто бывают цунами, вызванные подводными землетрясениями. Например, катастрофа 2004 года на Суматре, когда ужасно разрушительное цунами прошло и по Индийскому, и по Тихому океану. Или случившееся в 2011 году несчастье в японской Фукусиме. Тогда цунами повредило атомную станцию и произошло радиационное загрязнение. Эти катастрофы случались из-за того, что океанская плита давит на континентальную, продолжая погружаться вниз, уходит в мантию, и в зоне трения этих плит возникают землетрясения. 

 

Ископаемая жизнь

Тектоника плит дала основу для поиска месторождений полезных ископаемых. Крупные залежи нефти и газа находятся в так называемых осадочных бассейнах — это углубления в земной коре, заполненные мелкими частицами, которые сносятся с гор. Осадочные области расположены на пассивных окраинах континентов. Например, вдоль Арктического шельфа проходит осадочный бассейн, поэтому там большие залежи нефти и газа. Но они есть и внутри континентов. Непосредственное местоположение полезных ископаемых определяется путем сейсморазведки и последующего пробного бурения. Но обширные области, в которых залежи могут существовать, определяются именно тектоникой.

К настоящему времени разработано довольно много инженерных подходов к поиску и разведке месторождений полезных ископаемых, таких как углеводороды, руды металлов. Этим подходам уже не один десяток лет, но они продолжают совершенствоваться и по сей день. Метод сейсморазведки основан на том, что в геологической среде возбуждаются колебания, которые распространяются в ней, встречая на своем пути слои с разными свойствами. Слои могут быть более или менее акустически жесткими, что будет сказываться на скорости распространения в них колебаний. Также на границах слоев будут происходить отражения прямой акустической волны и ее преломление. Волна также будет огибать локальные неоднородности, меняя тем самым направление движения, — этот эффект зависит от соотношения между длиной волны и размером препятствия. Поэтому обычно при сейсморазведке используют колебания с частотами в диапазоне 30-60 Гц.

Существует и другой способ изучения недр — электроразведка, основанная на пропускании сквозь среду электромагнитных волн. Эта методика более востребована при поиске залежей металлических руд. Есть еще и гравиразведка, позволяющая искать гравитационные аномалии по изменению вектора ускорения свободного падения . Оба эти метода дешевле и успешно применяются для предварительного выбора области интереса, в которой может располагаться залеж, для восстановления структуры которой в дальнейшем уже и выполняется детальная сейсморазведка.

Василий Голубев, старший научный сотрудник лаборатории прикладной вычислительной геофизики МФТИ: 

— Почему именно сейсморазведка получила наибольшее распространение среди всех геофизических методов разведки? Толщина целевого пласта, в котором сосредоточена нефть, может составлять единицы метров. Поэтому при планировании бурения на несколько километров нужно с достаточной точностью знать его глубину залегания. Сейсморазведка обладает наилучшим пространственным разрешением — оно может достигать 5-10 метров по вертикали.

Говоря о тектонике плит, нельзя не упомянуть об условиях в зонах спрединга, которые становятся ее следствием. На сегодня основная масса всех земных биоресурсов находится в океане. И именно под водой, в зонах спрединга, согласно современным теориям, когда-то зародилась жизнь. В таких областях океанического дна из глубин по трещинам выходят под большим давлением гидротермы, температура которых достигает 300℃. И хотя этот процесс протекает под многокилометровой толщей воды, куда не проникает солнце и где не может быть фотосинтеза, там по сей день возникают целые колонии сообществ, которым не требуется кислород. 

 

Гулять по воде и по орбите

Источником колоссального объема информации о нашей планете в XXI веке стали спутниковые измерения. Группировки спутников детально измеряют параметры поверхности дна, проводят зондирование Земли. Спутниковые океанология и геодезия сейчас выходят на передний план. 

Но океанологические экспедиции по-прежнему нужны, потому что они дают более детальную информацию о местах проведения замеров. Сочетание спутниковых данных и точечных измерений на судах в каком-то районе дает наилучший результат. Существуют также системы автономных буйковых и донных измерительных станций.

С помощью специальных инструментов на спутниках сегодня можно измерять мутность воды, температуру поверхности дна, отслеживать нахождение и распределение фито- и зоопланктона. Если говорить про рельеф дна, он определяется в основном по гравитационным аномалиям. Скрытый под толщей воды донный хребет искажает гравитационное поле, что можно определить с орбиты. А для определения углублений используется такой прибор как гравиметр. 

Благодаря спутникам может изучаться и магнитное поле. Они позволяют найти аномалии в гравитационном, тепловом или магнитном полях, показывают смещение дна и слоев земной поверхности. Сейчас можно измерять горизонтальное смещение поверхности Земли с точностью до нескольких миллиметров. Это очень важно для предсказания землетрясений. 

 

От неожиданности к прогнозу

«У нас есть модели различных тектонических процессов, лучшие, чем на Западе. Например, вопросы землетрясений и цунами мы понимаем в большей степени. Наш Институт океанологии занимается, например, моделями подводных землетрясений. Частично мы этим заняты и в новой лаборатории на Физтехе, которой я руковожу», — делится руководитель Геологического направления Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН и руководитель лаборатории геофизических исследований Арктики и континентальных окраин Мирового океана МФТИ Леопольд Лобковский.

Математическое моделирование может дать некоторые преимущества и в вопросах разведки полезных ископаемых. Возможность сравнения реального сигнала, регистрируемого на дневной поверхности при полевом исследовании, с синтетическим сигналом, полученным численным расчетом с использованием известной скоростной модели среды, позволяет предполагать дополнительные особенности исследуемой области подземных недр. К тому же моделирование дает возможность подобрать оптимальную организацию полевых исследований. Разработанные в лаборатории прикладной вычислительной геофизики МФТИ методы моделирования распространения возмущений в неоднородной среде могут масштабироваться с уровня локальных задач сейсморазведки до изучения колебаний, вызванных сильными землетрясениями, по всему земному шару.

«Разработанные нами модели геологических сред состоят из описания упругих параметров различных слоев, положений границ
между ними, различных неоднородностей: карстовых или кавернозных включений, трещин, разломов. Имеется возможно учета топографии дневной поверхности. Учет тех или иных эффектов при моделировании зависит от масштабов задачи и исследуемых параметров. Ведь если описывать динамическое поведение всей нашей планеты от поверхности до центра, то в большинстве случаев топографией поверхности можно пренебречь — она не будет играть заметной роли. Если же заняться описанием строения какого-то ограниченного небольшого участка, без учета того, как устроена поверхность, точного расчета скорее всего не получится», — рассказывает заместитель заведующего лабораторией прикладной вычислительной геофизики МФТИ Николай Хохлов.

Для описания землетрясений и цунами в зонах субдукции группой руководителя геологического направления Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН и руководителя лаборатории геофизических исследований Арктики и континентальных окраин Мирового океана МФТИ Леопольда Лобковского разработана «клавишная модель землетрясения», которая основывается на взаимодействии литосферной плиты и сейсмогенных блоков островной дуги. Там накапливается напряжение. Происходит смещение островов, что фиксируется спутниковыми данными. По определенным алгоритмам можно определить природу того, что именно происходит. 

«То, что мы видим при помощи спутниковой геодезии, подтверждает нашу теорию клавишной модели землетрясений. Она была построена достаточно давно, но подтвердилась в последние 10 лет — технологии сделали качественный толчок. Это большой прорыв, и теперь мы понимаем, как развивать и улучшать ее и как подходить к прогнозу, что самое главное. Например, какой-то блок уже накапливает напряжение, значит, в течение 10–15 лет там произойдет сейсмическое событие масштаба катастрофы. До сих пор же такие землетрясения становились полной неожиданностью», — поясняет Леопольд Лобковский.

Для улучшения любой модели нужны большие ряды статистических данных, возможность непрерывно собирать которые появилась только в XX веке. Но у человека нет возможности ждать тысячелетия, пока не накопится достаточное их количество. Живущим сегодня важно знать, что случится в текущем столетии. А для этого нужна модель, качественно работающая на основании тех рядов, которые уже получены.

Основным поставщиком данных для ученых последние 15 лет является космическая геодезия. За это время спутники зафиксировали несколько катастроф, во время которых велись наблюдения за движением тектонических блоков. Также изучалось их поведение до и после катаклизма. Именно эти данные привели к подтверждению клавишной модели. 

Модель открывает возможности для прогноза, но для этого необходимо развернуть достаточно обширную сеть наземных станций. Они нужны на Курилах, на Камчатке, в Японии, в Чили. Тогда можно будет следить за каждым блоком, который подвержен накоплению напряжений. В таком случае есть вероятность, что через одно-два десятилетия ученые смогут с достаточной временной точностью предсказывать катастрофы в том или ином регионе нашей планеты.