ОТ СЕЙСМИЧЕСКОГО РАЙОНИРОВАНИЯ К ПРОГНОЗУ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ. *)

(К 100-летию со дня рождения академика Г.А. Гамбурцева).

На пути к прогнозу.

Проблема прогноза сильных землетрясений и геодинамического сейсмического районирования в нашей стране систематически начала разрабатываться по инициативе и под руководством Григория Александровича Гамбурцева в 1949 г., сразу же после Ашхабадской катастрофы 1948 г. Уже тогда им были предельно четко сформулированы цели и задачи комплексных исследований по этой важнейшей научной и социальной проблеме.

Являясь основоположником самых современных методов сейсмической разведки земных недр, и прежде всего - корреляционных методов преломленных волн (КМПВ), глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) и корреляционных методов изучения землетрясений (КМИЗ), Г.А. Гамбурцев рассматривал природу сейсмических процессов в их неразрывной связи с геологической средой, с ее глубинным строением и динамикой. Он не разделял, а наоборот, как единое целое воспринимал задачи сейсмического районирования и прогноза времени возникновения землетрясений. В рукописи, подготовленной совместно с В.В. Белоусовым для доклада на заседании Президиума АН СССР в 1955 г. он писал:  "Прогноз землетрясений имеет две стороны. 

1. Прогноз места и силы землетрясений, или сейсмическое районирование. Прогноз должен состоять в предвычислении интенсивности  и спектра максимальных сотрясений в функции места по крайней мере на ближайшие 100-200 лет. Данные сейсморайонирования должны лежать в основе проведения антисейсмических мероприятий при городском, сельском и промышленном строительстве.

2. Прогноз времени возникновения землетрясений, в основном крупных землетрясений. Постановка задачи может быть весьма разнообразной. Может идти речь о краткосрочном и долгосрочном прогнозе. Задача прогноза на весьма длительный срок, по существу, является частью задачи сейсмического районирования» [Гамбурцев, 1960, С. 436].

Сегодня эту комплексную проблему сейсмического прогноза можно рассматривать по схеме, представленной на рис. 1.

Подчеркивая необходимость наличия глубокой связи между исследованиями по прогнозу землетрясений и сейсмическим районированием, Г.А. Гамбурцев призывал уделять особое внимание изучению разнообразия сейсмических и тектонических условий в каждом из сейсмоактивных регионов, которые он представлял генетически связанными геологическими структурами.

В 1955 г. в своей статье, посвященной проблеме сейсмического прогноза, он писал: "Данные сейсмологии должны контролироваться и дополняться тектоническим анализом, а также глубинной геофизической разведкой (анализ гравитационных и магнитных аномалий, глубинное сейсмическое зондирование земной коры). Тектонические исследования наряду с сейсмологическими имеют основное значение при сейсмическом районировании крупных территорий… Превалирование сейсмостатистики при современном состоянии сейсмологии является вынужденным. В дальнейшем, по мере накопления наших знаний о природе землетрясений и об условиях их возникновения, роль сейсмостатистики должна уменьшаться и соответственно главное значение должны получить твердо обоснованные физические и геологические критерии сейсмичности" [Гамбурцев, 1955].

Вместе с тем, Г.А. Гамбурцев не приуменьшал значение статистики и ставил во главу угла исследования особенностей сейсмического режима и динамики земной коры. "В отношении прогноза времени возникновения землетрясений", - писал он, - "у нас еще нет определенных выводов. Представляется, что эта задача, также как и задача сейсмического районирования, будет решена главным образом на основании изучения сейсмического режима, а также режима медленных колебаний земной коры" [Гамбурцев, 1960, С. 443]. Будучи сторонником геодинамического подхода к изучению сейсмических явлений и указывая на недостатки преобладающих тогда "детерминистских" построений, он умело оперировал современными понятиями вероятностных оценок сейсмической опасности и риска при строительстве в сейсмоактивных регионах страны. Так, по его мнению, "при проведении практических антисейсмических мероприятий вряд ли следует принимать в расчет землетрясения, вероятность возникновения которых за отрезок времени в 100-200 лет ничтожно мала (например, такое землетрясение, которое может произойти один раз за несколько тысячелетий)" [там же, С. 430].

Приступая в начале 50-х годов прошлого века к разработке КМИЗ и внедряя приемы сейсмической разведки в большую сейсмологию, Г.А. Гамбурцев считал, что "…методы сейсмического районирования, до сих пор в основном геологические, требуют физического обоснования путем совместного изучения землетрясений и строения земной коры на большой глубине" [там же, С. 367]. В своей записке "Проблема прогноза землетрясений", составленной в марте 1954 г., Г.А. Гамбурцев предлагал с целью "установления критериев для прогноза землетрясений" приступить к решению этой проблемы "на новой основе изучения физики единого глубинного процесса развития земной коры" [Гамбурцев, 1955].

Рис. 1. Типы прогноза сейсмической опасности -  сейсмический "климат" и сейсмическая "погода". Вдоль оси абсцисс в верхней части рисунка указано время, измеряемое в сутках. Двойная вертикальная стрелка - момент возникновения прогнозируемого землетрясения. Горизонтальные отрезки - продолжительность времени  (в скобках) ожидания реализации того или иного прогноза (по В.И. Уломову).

Предвосхищая получившие впоследствии широкое распространение представления о фрактальной структуре геологической среды и развивающихся в ней сейсмических процессов, Г.А. Гамбурцев придавал большое значение изучению ее тонкого иерархического строения и явлений миграции сейсмической активизации. Он полагал, "…что большая частота возникновения слабых землетрясений не только делает весьма эффективными сейсмические методы в задаче обнаружения глубинных сейсмогенетических разрывов ("сейсмических швов"), но, по-видимому, позволяет увеличить разрешающую способность метода, т.е. способность различать близкие сейсмические швы. Можно предполагать, что жизнь сейсмических швов не постоянна во времени и в пространстве, т.е. могут существовать пространственные и временные флюктуации этой жизни. В один период времени более активен один шов, в другой период может оказаться более активным другой шов" [Гамбурцев, 1960, С. 392]. И далее: "…сильное землетрясение, очаг которого приурочен к одному из мест сейсмического шва, является показателем возможной сейсмичности всего шва в целом, а также связанных с ним других швов. После сильного землетрясения, происшедшего в одном месте шва, более вероятно возникновение сильного землетрясения в другом месте шва или в соседнем шве, т.е. вероятен процесс "миграции" очагов сильных землетрясений по системе сейсмических швов. Таким образом, землетрясения не независимы друг от друга: между ними должно существовать известное "сцепление" [там же, С. 428]. "Явления, происходящие в системе генетически связанных сейсмических швов, представляют собой единый сейсмотектонический процесс, определяющий как "нормальный" сейсмический режим, так и наиболее важные его особенности - возникновение сильных землетрясений» [там же, С. 429].

К сказанному выше и к другим идеям Г.А. Гамбурцева трудно что-либо добавить. И продлись еще хотя бы на пару десятков лет жизнь этого выдающегося геофизика, значимый прогресс в решении проблемы прогноза землетрясений, несомненно, был бы достигнут. И вряд ли бы появилось впоследствии столько несуразных отклонений от его концепций, столько всякого рода сумасбродных вымыслов (и даже неприкрытой халтуры) в "прогнозировании" землетрясений и в "уточнении" их сейсмической опасности, получивших небывалое развитие особенно теперь, когда на передний план вышли не чистота науки, а неуемное стяжательство и стремление к материальной наживе. И хотя уже давно стало очевидным, что прогноз землетрясений, как и районирование сейсмической опасности, без разработки содержательных геодинамических моделей абсолютно бесперспективны, до сих пор некоторыми умельцами без каких-либо разумных концепций продолжают "предсказываться" местоположения потенциальных очагов и максимальных магнитуд возможных в них землетрясений…

Как ни парадоксально, но основополагающие идеи и глубоко продуманные рекомендации, высказанные Г.А. Гамбурцевым в середине прошлого века, а также разработки наиболее выдающегося из его последователей - Ю.В. Ризниченко [Ризниченко, 1965, 1966, 1985], к сожалению, не были в должной мере восприняты и составителями очередных карт общего сейсмического районирования территории бывшего СССР 1968 г. и 1978 г. В итоге каждая из этих карт в той или иной мере оказалась неадекватной реальным природным условиям, что наряду с недоброкачественным строительством нанесло народному хозяйству огромный материальный ущерб и повлекло за собой многочисленные человеческие жертвы.

Следуя идеям Г.А. Гамбурцева.

Удивительная интуиция этого крупнейшего геофизика и убедительная аргументация предложенной им модели сейсмогенеза сыграли свою заслуженную роль в дальнейшей разработке проблемы геодинамического сейсмического районирования. Представления Г.А. Гамбурцева о взаимосвязи сейсмичности с геоструктурами фактически легли в основу всех наших исследований глубинного строения и динамики земной коры, работ по сейсмическому районированию и прогнозу землетрясений. Для решения этих проблем был развит сейсмогеодинамический подход, рассматривающий сейсмичность как результат деформирования земной коры и всей литосферы с учетом их структурных особенностей, прочностных свойств и процессов разрушения на разных масштабных иерархических уровнях [Уломов, 1974, 1987, 1993 а, б, 1998, 1999]. Была разработана целостная методология общего сейсмического районирования (ОСР) Северной Евразии, созданы однородные сейсмологические и геолого-геофизические электронные базы данных для всей этой обширной территории, охватывающей Россию и другие страны СНГ, а также сопредельные сейсмоактивные регионы [Уломов, Шумилина, 1999-2000].

Как показали исследования, районирование сейсмической опасности и прогноз землетрясений, действительно следует рассматривать как единую систему, охватывающую разномасштабные иерархические уровни сейсмической активизации - глобальный, региональный, локальный и очаговый. Чем крупнее сейсмические очаги и, соответственно, чем выше магнитуда генерируемых ими землетрясений, тем крупнее и объемы геологической среды, ответственные за их подготовку. Поэтому при изучении очаговой сейсмичности, сейсмического режима, как и при оценке сейсмической опасности той или иной территории, всегда необходимо исходить из соответствующих размеров конкретных и генетически взаимосвязанных геоструктур сейсмоактивных регионов. Для наиболее крупных сейсмических очагов протяженность таких геоструктур может достигать нескольких тысяч, а ширина - нескольких сотен километров. Во временном отношении развитие сейсмических и сейсмогеодинамических процессов также исследуется как в долговременном, так и в краткосрочном плане: чем выше магнитуда изучаемых землетрясений, тем больший промежуток исторического и геологического времени следует рассматривать.

В соответствии с новыми представлениями, создана адекватно параметризованная сейсмогеодинамическая (СГД) модель зон возникновения очагов землетрясений (зоны ВОЗ) на всей территории Северной Евразии. Во всех расчетах и построениях на этот раз участвовали не точечные, как прежде, а более реалистичные, протяженные очаги землетрясений, использовались новейшие представления о фрактальности геологической среды и развивающихся в ней геодинамических и сейсмических процессов, о нелинейных и других синергетических явлениях в развитии сейсмогеодинамических структур. В основу СГД-модели зон ВОЗ были положены структурные и геодинамические закономерности, свойственные каждому сейсмоактивному региону и всей обширной территории Северной Евразии, представляющей собой крупнейшую планетарную СГД-систему. Эти закономерности обнаруживаются в иерархической гетерогенности современных тектонических структур, начиная с литосферных плит и кончая блоками земной коры различного ранга, а также в направленности их геодинамического развития.

Показано, что условия неопределенностей, которые в природе всегда существуют, делают неправомочным детерминистский подход к сейсмическому районированию. Оно может быть осуществлено лишь на вероятностной основе. Иными словами, риск всегда будет иметь место, но его необходимо реалистично оценить, и свести к минимуму возможные потери. Поэтому, с учетом выявленных недостатков предыдущих подходов к  сейсмическому районированию и в результате собственных исследований, нами было принято решение создавать не одну карту (как это делалось прежде и до сих пор практикуется за рубежом), а комплект вероятностных карт общего сейсмического районирования территории Северной Евразии - ОСР-97, позволяющих оценивать степень сейсмической опасности для объектов разных сроков службы и категорий ответственности на трех уровнях, отражающих расчетную интенсивность сейсмических сотрясений, ожидаемых на данной площади с заданной вероятностью в течение определенного интервала времени [Уломов, Шумилина, 1999-2000].

Не хаос, а порядок.

Связь региональной сейсмичности со структурой и динамикой литосферы наиболее ярко выражена в глобальных масштабах [Уломов, 1993 б]. Самыми активными в сейсмическом отношении являются конвергентные структуры взаимодействия литосферных плит, расположенные по периферии океанов в виде зон субдукции, а также в виде реликтов этих зон - на континентах. Конвергентные структуры достаточно хорошо упорядочены по своим размерам и местоположению на поверхности Земли (рис. 2). Среднестатистическая протяженность каждого из таких регионов мира составляет в среднем 3000 ± 500 км. Как выяснилось, размеры этих сейсмоактивных областей и их пространственное распределение имеют самое непосредственное отношение к оценке магнитуды максимальных возможных в их пределах землетрясений, что чрезвычайно важно для сейсмического районирования.

Рис. 2. Глобальная упорядоченность сейсмогенерирующих региональных структур: 1. - оси конвергентных (сходящихся) зон субдукции и их реликтов на континентах; 2. - оси дивергентных (расходящихся) рифтовых зон; 3.- направления перемещения основных литосферных плит.

Каждому из таких регионов свойственен свой, характерный для него, сейсмический режим. Поэтому при разработке модели зон ВОЗ именно регионы указанных выше размеров приняты нами за «исходную» сейсмогенерирующую единицу, определяющую сейсмогеодинамику каждого из слагающих регион разломно-блоковых структурных элементов. Обнаруженные закономерности в значительной мере явились основой и для деления территории Северной Евразии на однородные в сейсмогенетическом отношении регионы.

 С геологической точки зрения, Северная Евразия включает в себя четыре крупные платформы разного возраста (Восточно-Европейская, Западно-Сибирская, Турано-Скифская, Сибирская), характеризующиеся относительно слабой и рассеянной сейсмичностью, и ряд орогенических регионов с чрезвычайно высокой сейсмической активностью и достаточно четкой структурой сейсмичности (Иран-Кавказ-Анатолийский, Центрально-Азиатский, Алтай-Саяно-Байкальский, Курило-Камчатский и др.). Курило-Камчатская зона субдукции с глубиной гипоцентров, превышающей 600 км, является наиболее подвижным и сейсмоактивным регионом Северной Евразии. Здесь возникают самые крупные землетрясения и высвобождается основная доля СГД-деформаций на рассматриваемой территории. Очаги с промежуточной глубиной залегания (от 70 до 300 км) свойственны двум другим хорошо выраженным следам субдукции: Вранчу - в Восточных Карпатах и Памиро-Гиндукушу - в Центральной Азии. Подкоровые очаги землетрясений наблюдаются в реликтовой зоне субдукции в акватории Среднего Каспия и на Северном Кавказе. Преобладающее же число сейсмических очагов расположено в верхней части земной коры на глубинах до 15 км. Из-за относительно небольшой глубины залегания такие очаги являются наиболее опасными в сейсмическом отношении.

Как выяснилось, реальная частота возникновения крупных землетрясений в каждом из регионов Северной Евразии оказалась в три и более раз выше, чем это считалось прежде. Использование же в прошлые годы идеализированных, логарифмически прямолинейных, графиков повторяемости землетрясений приводило к существенному занижению сейсмической опасности практически во всех регионах бывшего СССР.

В значительной степени упорядочена и региональная структура сейсмичности. Было обнаружено, что расстояния между дислокационными узлами пересекающихся разломов и, соответственно, размеры образованных ими геоблоков, имеют ярко выраженную тенденцию группироваться по рангам, примерно удваивая от ранга к рангу свои размеры в плане и по глубине [Уломов, 1987, 1993 б, 1998]. Природа этого явления, скорее всего, обязана регулярности удвоения глубины залегания основных границ раздела в земной коре и верхней мантии, которых и достигают разломы соответствующих рангов. Так, кровля "гранитного" слоя на континентах в среднем залегает на глубине около 10 км, верхняя граница "базальтового" слоя - на 20-25 км, подошва земной коры - на 40-50 км, подошва литосферы на глубине около 100 км, астеносферы - около 200 км, далее следуют границы на глубинах около 400 и 700 км. Как выясняется, этой фундаментальной закономерности скачкообразного изменения физических свойств вещества с удвоением глубины его залегания подчинены все геологические горизонты, вплоть до земной поверхности, включая даже почвы.

Землетрясения возникают в дискретной слоисто-блоковой среде, структура которой предопределена предыдущими геологическими эпохами, а в конечном итоге - новейшей и современной геодинамикой. Очаги землетрясений не рассеяны хаотично, а приурочены к относительно узким линеаментным (прямолинейным или почти прямолинейным) зонам активных разломов. Размеры разломов и расстояния между ними, в свою очередь, обусловлены толщиной и прочностными свойствами соответствующих слоев, подвергшихся в прежние геологические эпохи разломообразованию. Чем толще слой, расчлененный разломами на блоки, тем глубиннее и протяженнее сами разломы, тем крупнее образованные ими блоки и мощнее приуроченные к ним очаги землетрясений. И наоборот, с уменьшением толщины слоев уменьшаются размеры соответствующих разломов, геоблоков и сейсмических очагов.

Выявленная упорядоченность диктует регулярность не только в системах тектонических разломов и геоблоков, но и в иерархии очагов землетрясений: чем крупнее землетрясения, тем дальше друг от друга расположены их очаги. Так, очаги землетрясений, ранжированных по интервалам магнитуд и излучаемой ими упругой энергии, распределены закономерно не только во времени ("закон повторяемости землетрясений"), но и в пространстве ("закон дистанцирования сейсмических очагов"). Как оказалось, и в этой иерархии в основании всех функциональных степенных зависимостей лежит всё та же "загадочная двойка". Так, среднестатистические размеры (протяженность) очагов землетрясений, "квантованных" по 0,5 единицы магнитуды, и расстояния между эпицентрами ближайших пар таких очагов изменяются примерно в два раза с каждым шагом в половину магнитуды. Например, протяженность очагов землетрясений, имеющих магнитуду М=6.5, составляет около 25 км,  с М=7.0 - 50 км, с М=7.5 - 100 км, с М=8.0 - 200 км и т.д. При этом величины межэпицентральных расстояний, обусловленные  размерами соответствующих геоблоков, примерно в четыре раза превышают размеры очагов, а отношения этих величин друг к другу не зависят от магнитуды, т.е. по отношению к ней являются инвариантами, отражая тем самым самоподобие (фрактальность)  в иерархии размеров взаимодействующих геоблоков и очагов землетрясений. Инвариантами по отношению к магнитуде в определенной мере являются и соотношения длины сейсмических очагов с их вертикальной протяженностью, обусловленной толщиной соответствующих геоблоков.

Упорядоченным образом представлена и иерархия солитоноподобных ("уединенных") деформационных волн сейсмической активизации - геонов (в терминологии автора), обеспечивающих динамику взаимодействующих геоблоков и направленность развития синергетических СГД-процессов [Уломов, 1993 а]. Распространяясь вдоль разломов соответствующего ранга, геоны создают и разрушают разнообразные зацепы, провоцируя тем самым очаги землетрясений соответствующих магнитуд. Поскольку эти геодинамические процессы развиваются на каждом иерархическом масштабном уровне, им свойственна та же упорядоченность и фрактальная размерность, что и самой слоисто-блоковой среде.

Модель источников землетрясений.

Взаимосвязь во фрактальной упорядоченности разломов, геоблоков и сейсмических очагов, а также в развитии СГД-процессов, была положена в основу предложенной автором в 1987 г. фрактальной решеточной модели (РМ) сейсмогенеза [Уломов, 1987]. Эта модель позволила по-новому подойти к идентификации и сейсмологической параметризации зон возникновения очагов землетрясений для задач сейсморайонирования. В основу создания модели зон ВОЗ для сейсмического районирования Северной Евразии была положена линеаментно-доменно-фокальная (ЛДФ) модель, явившаяся дальнейшим развитием РМ-модели [Уломов, 1998].

Далее >>>

*) Уломов В.И. От сейсмического районирования к прогнозу землетрясений // Сб. статей "Научное наследие Г.А. Гамбурцева и современная геофизика: Развитие идей. Воспоминания". М.: ОИФЗ РАН. 2003. С. 189–202.