Почему ученые до сих пор не могут понять, как «работает» землетрясение? Научимся ли мы с высокой точностью их прогнозировать? А предотвращать? Когда это может произойти? Об этом и многом другом рассказывает директор Института теории прогноза землетрясений и математической геофизики Российской академии наук, член-корреспондент РАН Петр Николаевич Шебалин.
– Петр Николаевич, на сайте вашего института выложена статья, где говорится, что внятной и всеми признанной модели землетрясений не существует. Как же можно тогда строить прогнозные модели, если непонятно, как работает землетрясение?
– Есть разные модели. Какие-то работают лучше, какие-то хуже. Но беда в том, что нет общепринятой модели землетрясений. Мы не можем построить ни математическую, ни физическую модель, которая бы нам помогла наблюдать те процессы, которые происходят перед землетрясением, с тем, чтобы, измеряя какие-то характеристики, мы могли предсказывать землетрясение за различные интервалы времени до его начала. В этом основная проблема. Мы не имеем возможности моделировать весь процесс от начала до конца.
Но сложность не только в том, что у нас нет этой модели. Если бы эта модель даже была, то система настолько сложна, что сделать точный расчет практически невозможно, потому что система крайне неустойчива и даже минимальные изменения могут приводить к очень серьезным отклонениям от того процесса, который мы могли бы рассчитать. Такие системы можно охарактеризовать термином «детерминистский хаос». Это основная причина, почему мы до сих пор не умеем предсказывать землетрясения.
– А научимся?
– Обязательно научимся. Мы живем в эпоху, когда количество информации возрастает с катастрофической скоростью. Меняются методы исследований. Если раньше нам нужно было понимать причину каждого явления, то современные методы анализа больших данных, или, как говорят, Big Data, позволяют находить корреляции различных явлений. Нам нет необходимости знать причину. Мы, зная сам процесс, благодаря огромному количеству данных можем достаточно точно предсказывать будущее.
Пока мы это еще не умеем в отношении землетрясений. Но когда будут накоплены действительно большие данные, которые будут описывать различные геофизические поля, связанные с процессом подготовки землетрясений, то я уверен, мы сможем достаточно точно предсказывать землетрясения.
– Не разбираясь в причине? Это странно звучит. Ведь в науке всегда было важно докопаться до первопричины, а потом уже стараться научиться прогнозировать, предупреждать, предотвращать.
– Если говорить об истории исследования прогнозов землетрясения в нашем институте, то еще в 70-е годы под руководством основателя нашего института академика Владимира Исааковича Кейлис-Борока проводились работы по прогнозу землетрясений, в которых использовался фактически, как сейчас это называется, искусственный интеллект. Тогда это называлось методами распознавания образов. У нас было налажено очень эффективное взаимодействие группы Кейлис-Борока с группой математиков, возглавляемой Гельфандом, который в то время как раз применял методы распознавания образов в медицине. Объединение двух таких мощных групп позволило применять методы распознавания образа для прогноза землетрясений.
В частности, алгоритм М-8, который до сих пор тестируется в рамках нашего института, дает положительные результаты. Другое дело, его сложно использовать для практических целей. Но по крайней мере этот тест показывает, что прогноз землетрясений, в принципе, возможен. И эти методы у нас активно развиваются.
Так вот, отвечая на ваш вопрос, можно сказать так: неверно говорить, что мы до причин не докапываемся. Просто методы, с помощью которых мы ищем эти причины, другие. Мы идем от анализа данных к тому, чтобы строить модели. Наука часто так устроена.
– Как сейчас вы пытаетесь предсказывать землетрясения? Какими методами пользуетесь?
– Должен сказать, что в последнее время интерес к прогнозам землетрясений несколько угас. Это связано с тем, что мы дошли до такого уровня исследований, что уже извлекли максимум данных из того, что можно извлечь для прогноза землетрясений. Более точной информации, которая нам позволит прогнозировать землетрясения на том уровне, на котором находимся сейчас, мы не получим. Для того чтобы продвинуться в решении проблемы прогноза землетрясений, нужно переходить на новый уровень исследований, получения знаний, новых данных.
– Что это за новый уровень?
– Сейчас быстро развиваются космические и информационные технологии, которые, несомненно, через какое-то время дадут взрывной приток информации, и они будут использованы в том числе для прогноза землетрясений. Это данные современных геодезических спутниковых систем, системы ГЛОНАСС GPS - GNSS. Это станции, которые с помощью спутников позволяют определять местоположение точки, и мы сможем наблюдать за перемещениями поверхности Земли с очень высокой точностью. Это дает нам гораздо более подробную информацию о медленных перемещениях.
В геологических масштабах времени мы можем судить о перемещениях поверхности Земли и строить модели, как это происходит на глубине, – с помощью геологии, рельефа, геоморфологии. И это делается, конечно. В коротких интервалах времени мы можем пользоваться сейсмодатчиками, изучать свойства сейсмических волн. А вот в промежутке пока данных нет. Поэтому такие данные, которые будут позволять с высокой точностью отслеживать перемещения земных масс на поверхности, моделировать вглубь – в масштабах, скажем, миллиметров в сутки, – всё это нам может дать только спутниковая геодезия.
– Учитывая тот факт, что ваш институт находится в стенах Института космических исследований, вам сам бог велел этим заниматься. Но чем вы заняты сейчас, если интерес к такого рода прогнозам несколько поутих, как вы говорите?
– Мы научная организация и выполняем государственное задание. Работаем, прежде всего, по трем темам научных исследований, которые финансируются государством через Министерство науки и высшего образования.
Одна из тем, которой руководит член-корреспондент Академии науки Александр Анатольевич Соловьев, занимается как раз прогнозом землетрясений и оценкой сейсмической опасности. Это близкие, но всё же разные темы. Прогноз землетрясений – это то, что мы хотим знать на относительно короткий период времени, а оценка сейсмической опасности – это тоже прогноз землетрясений, но на фактически бесконечное время.
И тут, на мой взгляд, есть огромное поле деятельности, потому что до недавнего времени действовали строительные нормы, по которым в качестве закона использовалась карта общего сейсмического районирования. Совсем недавно этот закон был отменен. Теперь строители не должны использовать эти нормы. И надо сказать, в этом есть определенный резон. Конечно, там, где землетрясения могут причинять вред здоровью людей или представляют опасность для их жизни, нужно строить так, чтобы эти риски уменьшать. И там нужно применять эти нормы, никаких сомнений нет.
Но если мы будем опускаться ниже по уровню ожидаемой балльности, то оказывается, что землетрясения так часто не происходят в этих зонах, как ожидают. В зонах малой балльности опасность завышена, и, по-видимому, нужно в таких местах переходить к другому подходу регулирования сокращения ущерба от землетрясения.
Это система страхования. Эта саморегулируемая система позволит более тонко настраивать механизм принятия решений при строительстве тех или иных объектов. Когда-то нужно строить более крепкие здания, если они на длительный период рассчитаны. А если это здания, которые могут при даже небольшом разрушении представлять экологическую опасность, например, атомные электростанции, в этом случае задачи решаются по-другому. Там делается детальное сейсмическое районирование и учитывается гораздо больший объем информации, чем при общем сейсмическом районировании. А в целом, мне кажется, в областях умеренной сейсмичности должны действовать механизмы страхования. И мы в нашем институте сейчас как раз работаем именно в том направлении, чтобы дать научную базу для перехода к страховому регулированию.
– Всегда ли соблюдаются эти нормы?
– Не всё, к сожалению, просто и однозначно. Проблема, опять же, в трудностях прогноза землетрясений. Скажем, землетрясение в 1989 году в Армении. Тогда это была территория Советского Союза. Тогда были очень сильные разрушения, множество человеческих жертв. Там балльность была недооценена, и это элемент упущения ученых. Но данных всегда не хватает, и нет возможности всегда точно предсказать, будет там землетрясение определенной силы или нет. Просто какие-то разломы могут порождать сильные землетрясения, и часто это обнаруживают уже после самих землетрясений. Дело в том, что их не видно. Для того чтобы их увидеть, нужно знать движение по ним. И в Спитаке, конечно, этот элемент присутствовал.
Но существенная часть ущерба была за счет того, что просто не соблюдались нормы при строительстве. И это, к сожалению, не единичный случай. Нормы далеко не всегда соблюдаются.
– А что в Москве? Все ли соблюдается? Помню, как много лет назад ко мне в редакцию пришел профессор Рудаков из Института физики Земли и доказывал, что современные высотки, которые строятся в Москве, могут обрушиться в любой момент. Что вы можете сказать по этому поводу?
– Тут нужно смотреть конкретную документацию, и должны это делать специалисты по сейсмостойкому строительству. Нам надо знать, какие там геологические условия, какие почвы в конкретном месте, как устроен фундамент, сама конструкция, все ли учтено. Это инженерная задача. Такими вопросами занимается наука, которая называется инженерная сейсмология. Мы занимаемся задачами более общего характера, и однозначно ответить на ваш вопрос я не могу.
– Петр Николаевич, а вы лично как ученый какой областью научных исследований занимаетесь?
– Я занимаюсь как раз прогнозом землетрясений и оценкой сейсмической опасности. Я также сторонник применения страхового подхода в данном случае, и мы сейчас с коллегами работаем в этом направлении. Еще мой значительный интерес в течение многих лет – это использование статистических методов анализа данных о совокупности землетрясений в сейсмическом режиме, для того чтобы изучать различные геодинамические характеристики системы разломов и объема литосферы конкретного региона или небольшой области. Мы пытаемся по статистике сейсмических событий судить о характеристиках этого объема литосферы.
– Петр Николаевич, знаю, что вы не только теоретическими моделями занимаетесь, но и практическими работами, пытаясь в лабораторных условиях воссоздать ситуацию возможного землетрясения. И для этого сотрудничаете с Институтом физики Земли, в частности, с геофизической обсерваторией «Борок» в Ярославской области. Расскажите, пожалуйста, об этой работе.
– Совершенно верно. Надо понимать, что этим в основном занимается Институт физики Земли, кроме того, участвует физический факультет МГУ. В частности, заведующий кафедрой Владимир Борисович Смирнов. Но нам эта тематика чрезвычайно интересна, потому что это как раз метод статистики сейсмических событий, для чего используется анализ лабораторных экспериментов на прессе обсерватории «Борок», где наши коллеги изучают акустические сигналы.
Акустические сигналы – это те же самые микроземлетрясения, а специалисты обсерватории «Борок» умеют их лоцировать так же, как сейсмические сети лоцируют эпицентры землетрясений. Они определяют время события, магнитуду, энергию этих событий. Таким образом, мы изучаем процесс точно так же, как сам процесс землетрясений. В лаборатории можно смоделировать различные условия давления, температурные условия, можно добавлять в качестве флюидов воду или вязкие жидкости. Все это дает возможность моделировать в маленьком масштабе те процессы, которые мы наблюдаем в больших масштабах при землетрясениях.
Конечно, тут всегда возникает вопрос, насколько мы можем переносить те результаты, которые наблюдаем в лабораторных условиях, на Землю. Тут есть очень оптимистичный прием, который, уверен, позволит более точно установить такую возможность масштабирования. Это промежуточные масштабы. Есть взрывы в шахтах, или горные удары. Есть слабая сейсмичность при заполнении, скажем, водохранилищ для гидроэлектростанций, какие-то другие техногенные источники сейсмичности. Изучая такие почти лабораторные случаи в большем масштабе и понимая, как происходят процессы в трех разных масштабах, мы, уверен, сможем установить пределы этого масштабирования от лабораторных образцов к крупным разломам земной коры, на которых происходят реальные землетрясения.
– Слышала, что этот пресс в Борке уникален, таких больше нет. В чем его уникальность и как он работает?
– Уникальность как раз в том, что они умеют управлять различными характеристиками нагружения и измерять трехмерное положение источников сигнала, могут определить точное время и энергию сигнала. Это далеко не везде возможно. Они смогли создать машину, где все три компонента – пространство, время и разные характеристики нагружения – могут контролироваться.
Должен сказать, что это не просто машина, которую запустил, и она работает. Эта машина не смогла бы функционировать без уникальных рук Андрея Потанина, который знает там всё. Он удивительный человек, который творит на прессе буквально чудеса. У него сейчас очень хорошая помощница Наталья Шихова, которая помогает обрабатывать эти данные. Она отличный программист, хорошо владеет математическим аппаратом. Тоже редчайший специалист. Поэтому уникален не только сам пресс, но и люди, которые его обслуживают.
Изучение аналогов землетрясений на прессе — это одна из небольшого круга возможных задач. Если говорить широко, то это исследование геомеханических свойств горных пород, динамика скоростей распространения упругих волн, исследование нефтеносных кернов и поиск полезных ископаемых.
Научное руководство с точки зрения постановки эксперимента осуществляет Александр Вениаминович Пономарев из Института физики Земли. У него есть опыт работы с совершенно выдающимися американскими специалистами по части лабораторных экспериментов. Немаловажно также участие Владимира Борисовича Смирнова с физфака МГУ, который осуществляет весь процесс тематической обработки совокупности событий.
А я туда присоединился недавно. Это связано с тем, что нам удалось с коллегами обнаружить новое свойство сейсмического режима землетрясений, которое никто не ожидал. Это же свойство наблюдается, по-видимому, при разрушении образцов. Назвали это свойство Законом продуктивности землетрясений. Он состоит в том, что, когда происходит землетрясение, оно, как правило, имеет афтершоки. Все модели сейсмического режима опирались на то, что землетрясения определенной силы имеют определенное количество афтершоков. Разброс этого количества – стандартный Пуассоновский разброс – такой, как разброс в эксперименте любой случайной величины, которая имеет фиксированное ожидаемое значение.
Но оказалось, что это совсем не Пуассоновское распределение, которое имеет ярко выраженный максимум, а красивое экспоненциальное распределение с максимальной вероятностью в нуле. Оказывается, у большинства событий афтершоков нет вообще. Это кажется контринтуитивным. Однако этот закон с удивительной стабильностью наблюдается в землетрясениях.
Мы с Сергеем Вадимовичем Барановым, моим докторантом из Апатит, и его коллегами, которые работают в Апатитской системе шахт, где добываются полезные ископаемые, абсолютно такое же явление наблюдаем при горных ударах, при технических взрывах, которые тоже сопровождаются афтершоками. И, по-видимому, это же явление наблюдается и в лабораторных экспериментах. Именно поэтому мы хотим разобраться в природе этого явления вместе с коллегами из Института физики Земли и с физического факультета МГУ. Лабораторный эксперимент – это прямой путь к пониманию физики процесса.
– Знаю, у вас много молодежи. Откуда эти студенты? Что это за ребята? Радуют ли они вас?
– Да, у нас появилось много молодежи. Очень много сильных ребят дает нам Университет нефти и газа имени Губкина. Там мощная кафедра вычислительной математики. Это большая подмога, например, для Владислава Александровича Желиговского, который занимается очень сложными задачами моделирования процессов в ядре Земли. Это необходимо, для того чтобы разобраться в причинах возникновения магнитного поля Земли и инверсии, которая периодически происходит, в причинах вариаций положения магнитного полюса. Это очень сложные математические задачи, и очень здорово, что с ним работают студенты из «керосинки», как мы между собой зовем этот замечательный вуз.
Есть у нас оттуда же аспиранты, которые работают с Александром Ивановичем Горшковым. Они занимаются задачами геодинамики, изучают, где, в каких местах литосферы должны происходить землетрясения. Они находят наиболее опасные места землетрясений, но уже с применением методов искусственного интеллекта, что существенно.
Есть еще аспиранты, которые работают с Анастасией Корнельевной Некрасовой. Они занимаются статистическим анализом сейсмического режима. Появляются очень хорошие ребята с физического факультета МГУ, с кафедры физики Земли. Надеюсь, это сотрудничество будет расширяться.
У нас появился недавно очень сильный специалист по спутниковой геодезии Григорий Михайлович Стеблов. Он занимается, в частности, задачами, которые мне лично очень интересны в научном плане. Это постсейсмические процессы, или медленные процессы после сильных землетрясений. В этой группе очень много интересных направлений и множество прекрасных сотрудников. Например, Алик Исмаил-Заде, который занимается математическим моделированием геодинамических процессов, а сейчас он руководит грантом РНФ по моделированию процессов, которые происходят при подготовке извержения вулканов. Это второе наше направление.
Третье направление у нас – это анализ сейсмического сигнала для изучения землетрясений. Мы очень сильны в этом направлении. Анатолий Львович Левшин – специалист номер один по анализу поверхностных волн. Это направление продолжилось у нас учеником Анатолия Львовича Борисом Григорьевичем Букчиным. Уже появилось следующее поколение. У нас работает Алена Филиппова, которая продолжает эту тематику. Молодая кандидат наук Анна Скоркина, которая занимается изучением очага землетрясений по объемным волнам, также старается продвигать это направление.
У нас появился еще один молодой кандидат наук – это Александр Воропаев, тоже работающий по этому направлению. Вот сколько у нас талантливой молодежи. Это, конечно, для нас огромная радость, потому что без молодых кадров наука не двинется вперед.
– Петр Николаевич, как вы видите будущее науки о землетрясениях? Научимся ли мы когда-нибудь управлять землетрясениями? Как вы думаете?
– Очень хороший вопрос. Я задумался, потому что не могу сказать «нет». Вспомнил историю, которую очень любят у нас рассказывать в институте, как академик Сахаров говорил: «Взорвем атомную бомбу в том месте, где готовится землетрясение, перед этим народ эвакуируем, напряжение снимется, и, значит, население можно будет вернуть обратно».
Это картина совершенно нереализуемая, потому что даже с помощью водородной бомбы вряд ли можно спустить напряжение, накопленное за тысячелетия в какой-то конкретной системе разломов. Там работают другие механизмы. Все гораздо сложнее.
Тем не менее, думаю, мы сможем найти какие-то способы превращать подвижки в очагах землетрясений в такие, которые не будут вызывать сильных сотрясений. Я уже упоминал работы Григория Михайловича Стеблова, который изучает постсейсмические процессы. Мы знаем, что во время землетрясений лишь небольшая часть энергии выделяется в виде сейсмических волн, которые приводят к разрушению на поверхности. Огромная часть энергии выделяется за счет медленного, вязкого смещения по бортам разлома. Пока у нас нет еще даже представления, почему иногда бывает так, что подвижка происходит медленно. Есть так называемые «тихие», или «медленные» землетрясения. Они не сопровождаются разрушительными сейсмическими волнами. Их меряют. Японские коллеги наблюдают за ними с середины девяностых годов. Это хорошо известное явление. А говорят об этом уже с семидесятых годов.
Но, по-видимому, когда мы будем знать, при каких условиях подвижка происходит с быстрым сбросом энергии, а когда с медленным, мы научимся основную часть энергии переводить в это медленное сползание. Почему нет?
– А то и научимся пользоваться этой энергией, чтобы зря не пропадала.
– Я думаю, что к тому моменту будет уже изобретен термояд, и такой необходимости не будет. Энергия не будет проблемой. Проблемы будут другие.
– А какие?
– Вода, конечно, в первую очередь. Но думаю, и эту проблему мы решим. Для этого и существует наука.
Беседу вела Наталия Лескова
Фото: Андрей Луфт
Видео: Дмитрий Самсонов
