Провал, взрыв, сдвиг

— Вы будете заниматься механизмами землетрясений, — зал мне по телефону в Москве шеф. — Оформляйте командировку и выезжайте. Прошу вас, не задерживайтесь.

...Возможно, читатель будет удивлен, поняв, что основой сейсмологической науки по сей день является сейсмограмма, почти неотличимая от тех, которыми пользовался еще до первой мировой войны отец русской сейсмологии Б. Б. Голицын. Но это так. Сейсмографы системы Голицына (прекрасная вещь!) по сей день на вооружении науки.

Говорят, в этой неровной синусоидальной кривой, нарисованной перописцем, а чаще "зайцем" (световым зайчиком) на фотобумаге, — вся информация и о самом источнике сейсмического сигнала, и о среде на пути этого сигнала. Нужно только научиться "читать" эти письмена...

Думается, это утверждение столь же верно (и столь же неверно), как и мнение "доквантовых" физиков о принципиальной определимости координат микрочастицы или о независимом от наблюдателя объекте наблюдения. Мне не хотелось бы брать на себя слишком много, заявляя, что принципы неопределенности и дополнительности легко перенести на сейсмологическую почву. Но — читатель убедится — процесс практической "камеральной" работы с материалами наблюдений очень часто сталкивает сейсмолога с проблемами, весьма похожими на трудности физика, пытающегося подойти к микромиру с позиций буквального детерминизма.

Да, в сейсмограмме землетрясения, особенно если это сейсмограмма с хорошей разверткой (такие получают, например, при записи сигналов на магнитную ленту), наверняка скрыты все нужные данные об очаге землетрясения и о среде по пути сейсмической волны. Вот только разделить эти две составляющие... Мне приходилось слышать такое, крайне, скептическое мнение: ни в чем нельзя быть уверенным, если, например, данные о среде у нас только сейсмологические, если мы не изучили ее еще каким-нибудь методом. Своеобразные взаимоотношения дополнительности! Уравнение с двумя неизвестными, требующее для своего точного решения еще одного уравнения.

Что же там есть, на сейсмограмме?

Самые простые и ясные непосвященному сигналы (они же и самые интересные, больше всего давшие науке) — это моменты прихода, первые вступления продольной волны (это волна сжатия — разрежения, во всем подобная обычной звуковой волне) и волны поперечной. Расстояние на сейсмограмме между этими первыми вступлениями — это разность во времени прихода продольной и поперечной волн, очень важный параметр, характеризующий, во-первых, расстояние до очага землетрясения и, во-вторых, отношение скоростей продольной и поперечной сейсмических волн, по которому можно определять опасное сгущение энергии на пути сейсмического "луча", предвещающее сильное землетрясение...

Размах колебаний на сейсмограмме — амплитуда... Учтя расстояние до очага, по максимальной амплитуде мы определим энергию, магнитуду землетрясения. А разные отклонения от среднего характеризуют свойства среды. Длинный хвост записи, похожий на хвост метеора, — тоже весьма интересный объект изучения. Это — запись волн, долго плутавших, отражавшихся от разных слоев, преломляющихся. Длина хвоста тоже говорит о свойствах среды. Полной неожиданностью для сейсмологов было необычайно долгое сейсмическое эхо на Луне. Там хвост записи удара от отделившейся ступени раке ты растянулся на целый час. Как сейчас предполагают ученые столь долгое почти без затухания блуждание сейсмически! волн в недрах ночного светила, возможно, связано с полным отсутствием воды в лунной коре. И это (если это так) — сильнейший довод в пользу "водного" варианта гипотезы дилатенсии, сулящей нам эффективный прогноз землетрясений.

Впрочем, одно перечисление всего, что можно увидеть на сейсмограмме, заняло бы полкниги. Нам досталось самое первое, самое "простое", самое начало сейсмограммы — вступление продольной волны.

...Еще только начиналась эта наука. И первые сейсмологи-станционники при определении эпицентров землетрясений столкнулись со странным явлением. Сейсмографы в те времена не измеряли вертикальных колебаний почвы, не имели "вертикальной компоненты", а только две горизонтальные — широтную и меридиональную (в этих направлениях у них качался под действием подземных толчков массивные маятники). Именно с помощью этих двух компонент определялось направление от станции на землетрясение. И нередко начинающие станционники ошибались на 180 градусов. Почему?

"Бывают... случаи, когда фронт первой волны представляем собой волну разрежения, вызывая как бы всасывающее действие и тем самым смещая элемент поверхности Земли в сторону к эпицентру". Так писал более 60 лет назад основоположник научной сейсмологии, академик Голицын. Вот это противоположное здравому смыслу движение к землетрясению, как к всасывающей воронке (а не от него), и порождало странные результаты измерений с точностью "до наоборот".

Голицын подозревал, что двоякое поведение первой приходящей к прибору волны связано с тем, как реально движется горная порода в очаге землетрясения — от наблюдателя или к нему. И советовал сейсмометристам выходить из положения с помощью вертикального сейсмографа (маятник которой способен качаться только строго вертикально). "Так как продольные волны идут всегда снизу, то, если вертикальный сейсмограф укажет, что первое смещение почвы было кверху, то тем самым определится, что первая пришедшая волна была волною сжатия и наоборот", — писал дальше Голицын. Теперь, когда положительные и отрицательные вступления продольной волны из очага землетрясения перестали быть просто источником ошибок, а стали важнейшей составной частью сейсмологических наблюдений, первое вступление на Z-компоненте (зенитном сейсмографе) обязательно проставляется в международном бюллетене, где регулярно печатаются сведения обо всех сильных землетрясениях мира. В этом бюллетене хорошо видно, что от одного землетрясения на разные станции волна приходит то в виде положительного, то в виде отрицательного вступления — факт, во времена Голицына еще неизвестный.

О чем говорит этот факт? Представим себе, что мы ровно ничего не знаем о том, почему и отчего происходят землетрясения ... Но мы знаем, что на разные станции первое вступление сейсмической волны может прийти как в виде положительного (от очага), так и в виде отрицательного (к очагу) вступления. Можем ли мы на этой основе (см. рис. 2) построить достаточно уверенную модель происходящего там, в черных глубинах?

Гёте, говоря о Лиссабонском землетрясении, упомянул и о своих воззрениях на природу очага землетрясения: "Со всех сторон земли поступали все более подробные сведения о влиянии подземного взрыва".

Взрывом считал первопричину землетрясений английский ученый Мале, которого называют иногда первым сейсмологом. Допустим, первотолчок землетрясения — действительно взрыв. От взрыва тоже идут во все стороны сейсмические волны. Но где бы мы ни поставили наши сейсмоприемники, они должны качнуться от источника волны, все первые вступления будут положительными. Так, кстати, можно отличить на записях взрыв от естественного землетрясения (правда, бывают случаи, когда вулканический или искусственный взрыв "маскируется" под настоящее землетрясение, и это очень интересные случаи, но об этом немного дальше). Значит, взрыв как модель землетрясения не годится.

В свое время (в 1857 году) упомянутый уже Мале, исследуя плейстосейстовую область (область наибольших разрушений) Неаполитанского землетрясения, стал жертвой своих неверных теоретических представлений о физике очага землетрясения. Он был на правильном пути, пытаясь установить направление на очаг, глубину "фокуса" землетрясения по расположению трещин, смещению сдвинутых и опрокинутых предметов. Но Мале считал источником волн вулканический взрыв. А раз взрыв, значит, лобовой удар, а волны, распространяющиеся от очага, только продольные. А ведь наибольшие разрушения бывают как раз от поперечных колебаний, значит, все вычисления Мале были проведены впустую, с точностью "до наоборот"!

Рис. 2. Что дает сейсмологу определение механизмов землетрясений? Прежде всего — возможность отличить настоящие тектонические землетрясения от нетектонических, например взрывов, искусственных, или вулканических (верхний рисунок), или подземных обвалов (внизу). Настоящие землетрясения на сети станций всегда образуют четыре чередующиеся области с первым движением горных пород от очага (+) или к очагу (-). Это первая информация о землетрясении, запечатленная в самом начале сейсмограммы. Средний рисунок — это тектоническое землетрясение. Движение в очаге идет по типу надвига (по одной из возможных плоскостей разрыва). Видно, что в том случае, если бы "сработала" вторая плоскость, этого по механизмам никак нельзя было бы уловить, но геологический смысл движения в данном случае не изменился бы, землетрясение осталось бы надвиговым

Когда-то думали, что землетрясения вызываются обвалам в подземных пустотах. Вслед за знаменитым геологом XIX века Ч. Ляйелем проницательный русский геолог Д. Соколов в 1842 году писал: "Ни подъема, ни обрушения какой-либо толщи нельзя допустить без полости под нею". Представим себе это явление (в принципе возможное и отмеченное в районах развитого карста, где много подземных пещер, пустот). Камни, грунт, оторвавшиеся от свода, с силой ударяют в дно пещеры. Ясно, что удар в этом случае направлен от земной поверхности, и все расположенные там сейемоприемники покажут отрицательное вступление (только к очень удаленным могут подойти волны, направившиеся вниз от дна пещеры), Но таких сплошь отрицательных вступлений сейсмологи от настоящих землетрясений не получают.

Иное дело — модель сдвига...

Еще великий австрийский геолог Э. Зюсс в конце прошлого века обратил внимание, что землетрясения в Австрии как бы нанизаны на некие линии, причем линии эти были явно связаны со строением Альп. Правда, до него связь землетрясений со всякого рода разломами и сдвигами в земной коре (их называют дислокациями) замечали и Ляйель, и Соколов, и другие геологи. Но все эти предшественники, отмечая связь дислокаций с землетрясениями, подчеркивали, что считают дислокации следствиями независимо происходящих первотолчков (взрывов или обрушений). Зюсс впервые отождествил дислокации с очагами землетрясений. Он раз и навсегда разделил землетрясения на вулканические и тектонические, а тектонические в свою очередь попытался подразделить на сдвиговые землетрясения, вызванные горизонтальными напряжениями земной коры, и сбросовые (землетрясения с вертикальным взаимным перемещением "крыльев" — берегов трещины-дислокации).

В 1906 году в молодой науке сейсмологии произошло два больших события. Русский физик академик Голицын изобрел электромагнитный сейсмограф, неизмеримо повысивший точность регистрации землетрясений. А американский исследователь доктор Рид вооружил наконец науку настоящей теорией тектонического землетрясения. Эта теория, развитая и видоизмененная, лежит в основе всей сейсмологии по сей день.Калифорнийские землетрясения и сейчас высоко "ценятся" за необычайную чистоту и понятность происходящих движений. Сильные толчки привязаны здесь к уникальному для континентальной коры сдвиговому разлому Сан-Андреас. Сдвиговое движение по этому разлому, как медленное, без толчков (такое тектоническое движение носит название крипа), так и быстрое, с разрушением во время землетрясений, можно считать классическим, бесспорным. Во время землетрясения 1906 года крылья разлома сместили изгороди дороги на 7-8 метров!

"Кора во многих местах Земли, — писал Рид в своей знаменитой, сейчас ставшей хрестоматийной статье, — медленно перемещается, и разности перемещений в соседних областях создают упругие деформации, большие, чем порода может выдержать, затем возникает разрыв, и деформированные породы испытывают отдачу под действием их собственных упругих напряжений, пока эта деформация в значительной мере не будет снята... Эти деформации не возникают внезапно, но постепенно накапливаются благодаря медленному перемещению соседних областей".

До Рида (впрочем, этот взгляд и сейчас встречается среди сейсмологов) ученые представляли себе очаг землетрясения, источник сейсмических волн, в виде точки. По Риду, очаг — это прежде всего плоскость, более или менее, в зависимости от масштаба землетрясения, обширная площадка, по которой скользят друг относительно друга соседствующие блоки коры. Основные положения модели Рида не оспариваются по сей день. Поправки же и дополнения к ней основаны на все растущем осознании того факта, что геологическая среда, геологическое пространство-время во многом отличаются от условий лабораторных разрушений (Рид прямо применил к землетрясениям основы теории упругости, разработанной для совершенно других масштабов и материалов.)

Если взять кусок парафина и сжимать его в тисках, то можно заметить, что, сжимаясь в направлении действия сдавливаемых челюстей тисков, образец как бы расширяется в перпендикулярном направлении. Так, решил Рид, все идет и в сжимаемом кубе горных пород: всегда есть ось наибольшего сжатия и перпендикулярная ей ось наименьшего сжатия (или, проще, растяжения). Плоскость же разрыва пойдет по диагонали куба (под 45 градусов к осям напряжения) — либо по одной, либо по другой, либо по обеим (В том случае, если помимо одноосного сжатия в тисках образец находится в состоянии достаточно высокого всестороннего давления, как это всегда бывает в недрах Земли. Без этого условия трещина может пойти иным образом). Расположение в пространстве этих осей и плоскостей, если их установить, и есть механизм землетрясения.

Можно мысленно окружить очаг землетрясения шаровой поверхностью, сферой. Энергия из очага пойдет во все стороны неравномерно. Самый большой импульс движения от очага пойдет в двух противоположных направлениях вдоль оси растяжения. (В недрах Земли, в условиях всестороннего сжатия, строго говоря, не может быть оси растяжения, а может быть только ось наименьшего сжатия. Но для простоты о ней часто говорят как об оси растяжения) Самый большой импульс смещения к очагу — вдоль оси сжатия. Если нанести на сферу все положительные вступления первой волны в виде плюсов и все отрицательные в виде минусов, то ось сжатия окажется в центре области минусов, ось растяжения — в центре области плюсов, а границы между ними совпадут с пересечением сферой двух возможных плоскостей разрыва.

Примерно так представил себе сдвиговую модель очага землетрясения японский ученый Накано в 1923 году. Примерно таким видят сейчас практически механизм землетрясений сейсмологи.

Только невозможно, да и нет нужды окружать очаг сферой из сейсмоприемников. Зная законы преломления волн, можно такую сферу построить на чертеже. Сейсмический луч от очага до каждой станции проткнет эту сферу в той или иной точке. На чертеже сфера изображается плоскостью — кружком, на который проектируют и очаг землетрясения, вернее, ту точку очага, откуда начинается и откуда приходит самая первая волна-сигнал (центр кружка), и станции — точки с положительными и отрицательными вступлениями. Нужно только, чтобы станций было больше да и расположены они были на разных расстояниях от эпицентра землетрясения, более или менее равномерно вокруг него. Значит, нужно либо равномерно размещать сеть станций вокруг сейсмичных районов (так устроена наша гармская сеть станций), либо хорошо наладить международную сеть, международное сотрудничество, обмен сейсмологической информацией. И то и другое в наше время более или менее сделано.

Землетрясение — это горообразование в действии, это воплощенное время сейсмотектонического процесса, это пульсация секундной стрелки на часах тысячелетий. А если это так, то установленный механизм землетрясения, а точнее, механизмы тысяч землетрясений, рассмотренные в комплексе, во времени и пространстве, — это построчная расшифровка истинного смысла и содержания до сих пор таинственного и спорного явления, имя которому — геологический процесс. При обращении к каталогам механизмов землетрясений для разных районов мира охватывает острое чувство присутствия при обычно скрытом своей медлительностью процессе, чувство близости открытия. Чувство это, может быть, преувеличено. Механизмы раскрывают не все и кое в чем, как видит читатель, двусмысленно.

И все же трудно представить себе картину мира, из которой кто-то вычеркнул бы то, что дала науке расшифровка механизмов, то есть движущих сил, землетрясений. Поэтому имена тех, кто разрабатывал методику этих расшифровок, навсегда останутся в истории науки. Это японцы Накано и Хонда, американцы Байерли и Ходжсон, наши Кейлис-Борок и Введенская. Нельзя не поклониться этим людям за минуты острого чувства озарения, которое охватывает, когда из кажущегося сумбура цифр начинает вырисовываться картина, которую так и хочется назвать истиной. Но не нужно слишком поспешно следовать этому желанию...

 

Умная, снисходительная природа

В самом общем виде работа ученого состоит в переводе на язык науки с предметного языка природы некоей новеллы, именуемой либо как "явление", либо как "закономерность". Перевод этот не совсем точен, грубоват (с точки зрения абсолютной истины). Он в каком-то смысле является популяризацией природы в разных ее проявлениях. Популяризацией не для всех, а для узкого круга "своих", владеющих тем же языком. Популяризатор науки работает на следующем уровне, переводит с языка науки на язык обычный, литературный, но законы этой работы те же или очень близкие. И ошибки в этих родах деятельности похожие. Это ошибки перевода. Неадекватности, неуклюжести. Но есть и другое. И ученый в своих усилиях познать и объяснить себе и коллеге природу "один к одному", и популяризатор в своих вторичных усилиях познать и объяснить читателю то, что делается в науке, сталкиваются с эффектами неопределенности и дополнительности. О том, как это ограничивает возможности науки, я уже рассказывал. Популяризатор находится в еще худших условиях. Для него эти эффекты существуют "в квадрате". Чем ближе к оригиналу его изложение, тем суровее действие эффекта дополнительности: популяризация перестает быть популяризацией и становится наукой. На этом основании некоторые мои знакомые ученые считают, что популяризация вообще не нужна (если она точна, это не популяризация, если она неточна, она "лжет"). Но, несмотря на очевидность "неполной, адекватности" популярного изложения, оно не просто допустимо, оно и необходимо. Без литературного освоения достижения науки не смогут проникнуть в мировоззрение не только человечества в целом, но и даже в мировоззрение самих исследователей. Подбодряющим примером здесь мне служит позиция основателей новой физики, сложнейшей из наук: "Реальные эксперименты невозможно было бы описать, не применяя при этом разговорного языка и понятий наивного реализма" (Нильс Бор).

Итак, сейсмология "на пальцах"... После долгих перетасовок мы установили, что все механизмы землетрясений Гармского района хорошо делятся на семь главных типов. Каково же было наше удивление, когда спустя несколько месяцев мы случайно набрели на одну старую работу выдающегося сейсмолога Бота, где были почти те же семь типов. Зря старались? Может быть, и не зря. Неизвестно, с тем же ли рвением мы продолжали бы нашу работу, если бы сразу узнали, что начали с известного. Самое подкупающее в нашей типологии — так мы ее назвали — было то, что каждый тип легко связывается с определенным, конкретным геологическим движением — сбросом, надвигом, вертикальным взбросом и т. д. Все эти классические понятия науки о горообразовании вместе нашей типизацией можно увидеть на рис. 3.

Рис. 3. Механизмы землетрясений можно по геологическому смыслу происходящего движения разделить на семь типов

На рисунке-графике отложены углы наклона (от вертикали) оси сжатия и оси растяжения. По сочетанию этих двух осей выделяются следующие типы (разделены границами):

а — горизонтальный сдвиг. Оси сжатия и растяжения горизонтальны, плоскости разрыва (обе, вторая не показана) вертикальны, движение по такой плоскости чисто горизонтальное;

б — вертикальный сбросо(взбросо)сдвиг. Все оси под острыми углами к вертикали. Плоскости разрыва: одна вертикальная (с движением вверх и "вбок"), другая наклонная (косой сдвиг); она маловероятна и здесь не показана;

б1 — вертикальный взброс (сброс). Вторая горизонтальная плоскость разрыва (шарьяж) маловероятна в статистике коровых землетрясений и здесь также не показана;

в — надвиг (обе плоскости);

в1 — пологий сброс, движение, обратное надвигу, что-то вроде "тектонического оползня";

г — сдвигонадвиг (обе плоскости), самое "сложное" по своей геометрии движение наряду с типом д;

д — сдвигосброс, движение, обратное сдвигона-двигу. Стрелками на плоскостях показано направление движения по плоскости разрыва, стрелки на углах "кубиков" — "составляющие" движения в нашей обычной системе координат.

Ну а результат, спросите вы. Результат наметился сразу, как только каталог рассортировался на типы (для этого и понадобилось пусть условное, но четкое разграничение типов) и был подсчитан процент — содержание каждого типа отдельно для слабых и для сильных землетрясений.

Результат давно доложен коллегам и опубликован в научной печати, естественно, не вызвав сенсации, а лишь умеренный интерес и отчасти критику. Результат был необыкновенен только для нас (и для наших друзей) и только одним: он был первым! Он сообщал нам то, о чем мы прежде знали только понаслышке и чему в глубине души, может быть, не верили: в природе нет хаоса, все в ней устроено "разумно", и эта разумность, когда она внезапно выглядывает краешком из машинально чертимого тобой графика, буквально ошеломляет.

Впрочем, спешу пояснить. На рис. 4 показаны наборы типов (в процентах) для слабых и для все более сильных землетрясений. Видно, что самые многочисленные среди слабых тресков и скрипов типы тушуются и исчезают по мере роста энергии взятых для анализа землетрясений. Можно сделать следующий шаг — поделить все землетрясения на "слабый" и "сильный" (на рисунке "сильный" отмечен штриховкой) "надтипы".

Рис. 4. Разделение механизмов землетрясений на типы не просто удобно. Сразу появляется возможность статистических сопоставлений. Процент числа землетрясений того или иного типа за большой срок — это средняя вероятность появления именно этого типа в этом районе, величина столь же строго определенная, как и наклон угла графика повторяемости. Всякие отклонения от установленной средней вероятности таят в себе возможность обнаружения новых явлений. На этом рисунке каждая следующая диаграмма показывает, как меняются вероятностные соотношения толчков разных типов с ростом энергии землетрясений, Видно, что по мере роста энергии падает значение типов со "сложной геометрией" очагов (г и д), растет значение прочих, более простых типов, особенно надвига, который можно считать главным типом движения для всей обширной горной страны. Эти диаграммы дали основание говорить о "сильном" и "слабом" типе землетрясений и перейти к попытке использовать это разделение для прогноза самых сильных сейсмических катастроф

Возникло подозрение, что все слабые землетрясения делятся на две большие группы. Фоновые, более или менее хаотические и аккомпанирующие всей действующей современной геологической жизни в недрах нашего района, то есть шум. И особые, во всем похожие на сильные, кроме своей энергии. Возникло подозрение, что эти особые землетрясения и есть тот долгожданный полезный сигнал, который может предупреждать о начале критической эпохи подготовки сильного толчка.

Подозрение оформилось в уверенность как бы совершенно неожиданно, однажды, когда в Гарме уже темнело, уже звенели цикады и горы фиолетово светились в закатном майском небе. От дома, где жилье, до рабочего кабинета не больше сотни шагов, и ночью многие комнаты камерального корпуса освещены. В кабинетах пишут, чертят мелом на доске, считают на портативных вычислителях, спорят.

Мы в ту ночь считали содержание "сильных типов" слабых землетрясений в каждой сотне последовательно идущих одна за другой карточек Гармского каталога. Обычные статистические приемы — сглаживание, усреднение, и все это — на временной шкале, где единицей времени служат не секунды, не минуты и не сутки, а сами сейсмические события примерно за пять лет (конец 1963 — начало 1969 года). И вот наконец последняя цифра высчитана, последний кусок кривой проведен. Удача! За это время доля землетрясений "сильного типа", в среднем равная 27 процентам (очень устойчивая на больших пространствах и за большой срок цифра), только два раза поднималась выше среднего — почти до 50 процентов. И оба раза это повышение кривой заканчивалось сильным толчком (рис. 5).

Рис. 5. Все типы проверяются на "прогностическую ценность". В каждой сотне последовательно идущих друг за другом на протяжении пяти лет слабых землетрясений оказалось далеко не равное число "сильных", простых типов механизмов. Лучше всего сильнейшие землетрясения (отмечены штрихпунктиром) прогнозировав лись типами б1 (вместе с б) и главным для района типом в. Стрелами отмечены средние по силе землетрясения. Они этим методом не прогнозируются

Между рождением "слабых землетрясений сильного типа" и этим последним подсчетом, в результате которого появился новый прогностический признак, прошел почти год... И когда кривая была закончена, появилось недоумение: почему же так долго? Ведь сделано было самое простое. Как же мы раньше не догадались выстроить все землетрясения одно за одним и посчитать?

Мешала предвзятость, распространенная уверенность в том, что прогностические признаки нужно ловить на крошечном пятачке вокруг эпицентра готовящегося землетрясения. Но именно на этом пятачке землетрясений не бывает или бывает очень мало. А строить прогноз "по трем точкам" ... Можно, конечно, но верить такому прогнозу все-таки нельзя.

Получилось так, что природа намного умнее своих исследователей. Если бы прогностические признаки действительно появлялись на крошечном пятачке вокруг будущего очага, то поймать и выделить такой пятачок было бы практически невозможно, Природа оказалась и умной, и снисходительной: как раз с землетрясений 13-14-го класса (которые и прогнозировались нашими признаками) область подготовки землетрясений уже почти равна по площади целому Гармскому району. И сотни следующих друг за другом толчков дали очень четкое и полное предупреждение. Такому предупреждению можно доверять — ведь ясно, что процент, исчисленный из сотни случаев, намного точнее процента, исчисленного из пяти — десяти случаев. Статистический метод прогноза лучше раскрывал детерминированность, причинность процесса, чем прямой, в лоб детерминистский штурм.

При таком обороте событий материала для прогноза (раньше его вечно не хватало) оказалось достаточно, чтобы проследить, как распределяется по району грозное нарастание параметра "сильного типа". Честно говоря, мы боялись, что при таком разложении результата он рассыплется, окажется вдруг, что это так, случайно набрались высокие проценты в канун толчков. Но все вышло. Весь юг района (там, где произошли оба землетрясения) своими четырьмя широтными поясами согласно и синхронно подтвердил: да, сильный толчок готовился на обширной площади, причем, похоже, что импульс, нарастание опасности шли именно с юга, оттуда, откуда на Гармский район надвигается Индийская плита. Север района Тянь-Шань — оказался связанным с южными сейсмическими событиями намного слабее.

Что происходит в недрах? Почему в период приближения критической точки начинают смещаться акценты во взаимном расположении осей и плоскостей разрыва слабых землетрясений? Меняется геометрия сейсмического пространства — возникают разрешенные и запрещенные направления для движений... Движения геометрически становятся проще... Если уж сдвиг, так сдвиг, а надвиг, так надвиг, а не сдвигонадвиг, не сбрососдвиг...

Но какое же движение в районе главное? Это хорошо видно, если снова взглянуть на рис. 4. Это движение типа "в", надвиг. По этому типу идут самые сильные землетрясения всего Памиро-Тянь-Шаня. Горизонтальное сжатие с наползанием одного блока на другой. Впрочем, это уже другой масштаб исследования и другой, стало быть, разговор...

 

Музыка недр

Прогноз... Научное пророчество... Капитан "Бигля" Роберт Фицрой проявил ограниченность, не приняв идей своего знаменитого пассажира Чарлза Дарвина, но он искупил это непонимание тем, что сам совершил своего рода научный подвиг. Уже адмиралом, он организовал в прошлом веке первую в мире службу прогноза погоды и тем обрек себя на форменные мучения. Его прогнозы оправдывались, конечно, намного хуже, чем современные, и если мы и сейчас подтруниваем над синоптиками, когда вместо обещанной переменной облачности без осадков на весь день устанавливается нудный дождь, то тогда было еще хуже. Многие видели в Фицрое шарлатана, нечто вроде цыганки-гадалки, и знаменитый английский юмор довел моряка-энтузиаста до самоубийства. И все же синоптики видят будущее. Самый обычный комнатный барометр, если уж очень упорно начнет "падать", является неподдельным пророком бури...

Что-то вроде барометра земных недр есть и в распоряжении сейсмологов. И есть давно...

Дилатенсия и вся свита связанных с ней явлений, возможно, не смогут рассказать обо всех тонкостях сейсмической погоды на завтра, но ведь это и не требуется. Требуется именно недвусмысленное и точное предсказание "сейсмической бури", катастрофы.

В 1911 году, за пять лет до своей смерти, академик Голицын писал:

"Скорость распространения продольных и поперечных волн, оказывается, для того же самого места не является величиной постоянной. Она изменяется с течением времени, в зависимости от состояния натяжения внутренних слоев Земли. С увеличением натяжения скорости эти убывают".

В своем научном завещании Голицын уделил особое внимание работе венгерского сейсмолога Е. Ковеслигети, подметившего, как в зоне подготовки будущей катастрофы меняется скорость проходящих сейсмических волн от обычных, слабых землетрясений. Голицын назвал этот путь разработки прогноза "особенно интересным и важным".

Итак, сейсмические волны от землетрясений и взрывов бывают двух родов в зависимости от направления вызванных ими колебаний частиц почвы: продольными (Р) и поперечными (5). Продольные волны бегут в √З раза быстрее поперечных. Именно поэтому почти все очевидцы сильных землетрясений рассказывают о двух сотрясениях, причем второе бывает сильнее первого. Это — своеобразная "милость" природы. Первый толчок, как бы он ни был смертоносен, все же лишь предупреждает о следующем, еще более смертоносном. Правда, заблаговременность этого предупреждения часто недостаточна, чтобы можно было принять действенные меры спасения.

Сейчас, вооруженный знанием о двух основных видах сейсмического излучения, опытный сейсмолог даже без приборов может прикинуть, далеко ли от него произошел толчок. После первого удара (это — вступление продольной волны) через какое-то время происходит второй, еще более сильный (поперечные волны приходят позже). Если между толчками проходит, скажем, 10 секунд, сейсмолог мысленно умножает это число на 9. Полученное число 90 — это число километров от наблюдателя до гипоцентра землетрясения. Зная же это расстояние и оценив балльность происходящего землетрясения по ощущению и разрушениям, можно оценить и примерную энергию в очаге землетрясения.

Естественно, еще точнее все эти вычисления получаются при анализе сейсмограмм, где первые вступления продольной и поперечной волн обычно неплохо выделяет даже не очень подготовленный специалист. Но отношение скоростей Vp/V постоянно и равно √З только в первом приближении. Оно меняется от породы к породе, с глубиной. Меняется оно и во времени, о чем и писал Голицын. Но оказывается, в самом этом явлении еще много спорного, и практически прогноз по Vp/Vs все как-то не наладится. Ко времени нашего приезда в Гарм в 1973 году и на симпозиуме прогнозистов летом 1974 года не всем было ясно даже, что стоит за прогностическим "седлом" изменения скоростей, что физически меняется? Очаг или среда? А если среда, то продольные или поперечные волны меняют свою скорость, сигнализируя об опасном сгущении тектонической энергии?

...В 1974 году инженер Вермишева построила кривую отношения скорости продольной волны к скорости поперечной по тысяче с лишним слабых землетрясений, происшедших в районе с мая 1973 года по ноябрь 1974 года. Тогда-то она и увидела, что могла бы предсказать землетрясение 13 сентября 1973 года не только во сне. Перед этим днем и еще перед отдаленным Алайским землетрясением 10 августа 1974 года кривая демонстрировала глубокие и резкие падения. К сожалению, кривая была построена не до, а после событий — наш прогноз все еще, увы! "крепок задним умом"... Не все сотрудники всерьез заинтересовались той кривой. Многие скептически пожимали плечами. Не верили расчетам? Нет, самому параметру!

Дело здесь в том, что у сейсмологов нет ясной точки начала отсчета. Чтобы определить отношения скоростей, надо построить особый график — график Вадати. Значение параметра на этом графике зависит от того, какой момент времени считать за время самого землетрясения. Но сам этот момент определяется... из того же графика Вадати. Получается, что сейсмолог как бы решает уравнение с двумя неизвестными, пользуясь всего одним уравнением.

Конечно, точность можно еще повышать, и в немалой степени, но неабсолютность, статистичность результата всегда останется. Когда мы под давлением коллег тщательно проверили свои результаты, все сошлось. Два землетрясения 12-го и 13-го класса в 1973 году на юге Гармского района и сильнейшее Алайское землетрясение за 200 километров от гармского полигона действительно могли бы быть предсказаны пи отношениям скоростей волн от слабых тресков, непрерывно сигналящих нам о чем-то из недр Гармского района.

Что же все-таки стоит за явлением изменения Vp/Vs? Кое-что мы знали об этом из литературы, но знали мы и о спорах до сих пор сопутствующих исследованию этого эффекта на практике.

Во времена Голицына еще не было хорошо разработанной модели очага землетрясения. Голицын говорил — натяжение слоев... Это значит, недра Земли перед разрывом-толчком натягиваются как гитарная струна, готовая лопнуть. В такой струне действительно падает скорость бегущих звуковых волн.

Но ведь недра Земли разрушаются не от растягивающих усилий, а от сжимающих. Значит, все должно быть наоборот, скорость проходящих волн должна возрастать! Мы уже знаем, как объясняет этот парадокс теория дилатенсии. Но приложение лабораторного эффекта дилатенсии к сейсмологии — дела новое, непривычное. Некоторые сейсмологи все еще упорно уверяют, что ни скорости продольных и поперечных волн, ни соотношение этих скоростей в действительности перед землетрясением не меняются, это кажущееся явление, квазиэффект! Они считают, что отношение скоростей почти не зависит от среды, а только от самого очага слабого землетрясения.

Перед сильным толчком появляются среди слабых землетрясений очень похожие на будущий толчок по расположению! осей сжатия и растяжения (и это действительно так — об этом! читатель уже знает). К этим-то новым очагам и привязывали] "кажущиеся" пониженные прогностические отношения скоростей некоторые наши коллеги.

Почему кажущиеся? Да потому, объясняли специалисты, что при разной ориентации очага землетрясения сейсмические волны, испускаемые им, по-разному взаимодействуют со средой, поляризуются. И тогда мы видим (на сейсмограммах), как перед толчком яснее проявляется самое первое вступление поперечной сейсмической волны (на сейсмограмме эта вступление нужно выискивать на фоне уже вовсю выписываемой продольной волны, и ошибки возможны). Уменьшается инструментально измеренное время между приходом продольной и поперечной волн, отсюда и квазиэффект прогностического "седла" — предвещающего сильный толчок прогностического понижения, отношения скоростей слабых землетрясений.

Самым драматичным (для нас) было то, что и мы поначалу очень поверили в оригинальную "гипотезу очага" и с этой верой начали нашу работу над отношением скоростей. И простой статистический подсчет поначалу дал как будто слабое подтверждение этой гипотезы, но, как потом оказалось, на уровне ошибки. (Ох уж этот уровень ошибки! Как трудно привыкнуть все время помнить о нем и как легко творить новые результаты, начисто о нем забыв!) Пришлось взяться за дело уже как следует. По странному совпадению, удача ждала нас именно с тем землетрясением, которое было "предсказано" дважды — в том "пророческом" сне, о котором шла речь выше, н "задним числом", на графике.

Повезло нам уже в том, что на спуске прогностического понижения параметра Vp/Vs произошло в хребте Петра Первого солидное землетрясение 11-го класса, после которого ударило из одной точки и с одной глубины около 80 повторных толчков — афтершоков. Даровой стабильный источник сейсмических сигналов, маяк, включившийся на целые сутки 28 августа 1973 года! Эти 80 толчков и обрисовали то самое таинственное "седло" понижения параметра, пристально изучаемого сейчас сейсмологами всего мира. Нам удалось подобрать две станции нашего сейсмического полигона, лежащие точно на одном луче от афтершокового маяка. Чтобы избавиться от эффекта неопределенности, связанного с неточностью определения времени и места землетрясений, мы брали "чистую разность" в приходе волн на эти две станции, лежащие на одной прямой. Естественно, все, что происходило со всеми разностными величинами в течение 80 вспышек сейсмического маяка, рассказывало о состоянии земных недр между этими двумя станциями.

На миллиметровку легли кривые. Первая — скорость продольной волны между двумя станциями для всех вспышек "маяка" одна за другой. Вторая — скорость поперечной волны. Сразу стало видно, что обе кривые спускаются и поднимаются одновременно с хорошей, как говорят, "корреляцией", но продольная волна изменялась намного энергичнее, чем поперечная. Вот почему отношение этих двух скоростей (третья кривая) менялось по тому же закону, что и первые две. И это означало, что процесс изменения для всех этих величин един в своей основе. Когда "рыхлее" становится земная кора между станциями (фаза дилатенсии), тогда медленнее бегут обе волны. Когда же ближе к толчку снова сжимаются недра, закрывая трещины и поры, быстрее бегут волны. Но продольная ускоряется еще быстрее, чем поперечная. Эффект реален, никакой не "квази"!

Самое удивительное и странное было то, что весьма заметное падение скоростей (скорость продольной волны упала, а затем снова выросла на 20 процентов!) произошло за сутки! За эти сутки прогностическая кривая достигла минимума и полезла вверх. Но, может быть, ничего удивительного? Нам уже приходилось наблюдать, что время сейсмического процесса нередко сильно отличается от нашей обычной временной шкалы. И часто целесообразным оказывается измерять время, оставшееся до прогнозируемого толчка, не количеством месяцев или дней, а числом сейсмических событий. Именно при таком подходе наклон кривых становится упорядоченным настолько, что его часто можно считать уже величиной постоянной, и тогда разнообразие в сроках, лежащих между прогностическим признаком и сильным толчком, сводится на нет. Прогноз сроков землетрясения при таком понимании времени станет более точным.

Как здесь было не вспомнить гегелевское: "Время не есть как бы ящик, в котором все помещено, как в потоке, увлекающем с собою в своем течении и поглощающем все попадающее в него... Процесс самих действительных вещей составляет... время". Впрочем, было об этом и у Лукреция Кара:

 

Землетрясения и электричество

На Ташкентском симпозиуме "предсказателей" немало говорилось еще об этом предвестнике землетрясений. Вот бежит игла звукоснимателя по канавке пластинки. Неровности дна дорожки через иглу заставляют колебаться кристалл пьезоэлектрика, в котором возбуждаются электрические токи. Но ведь земная кора битком набита пьезозлектриками, например кварцем. Колебания, сдавливание, растягивание — все эти де формации помимо всего прочего возбуждают массу токов, блуждающих в недрах Земли. Перед землетрясением добавочная порция токов сразу же вызывает местные вариации геомагнитного поля в районе готовящегося толчка. Эти вариации перед землетрясениями отметили и наши (алма-атинские) геофизики, и американцы.

Многие ученые считают, что мы сильно недооцениваем роль электрических токов и статических электрических полей в общем балансе процессов земных недр. Устойчивые токи, даже слабые, могут участвовать в процессе образования месторождений полезных ископаемых, производя самый настоящий электролиз растворенных в подземных растворах солей. Не так ли возникли некоторые месторождения особо богатых руд? Заряженные пласты горных пород, разделенные диэлектриком, представляют собой самые настоящие природные конденсаторы, способные долгие годы хранить и накапливать электричество. Естественно представить себе, что между пластинами такого конденсатора время от времени бывают "пробои" — молнии в недрах Земли. Не эти ли молнии принимают участие в процессе землетрясения, добавляя свою энергию к общему, по-видимому, довольно сложному процессу?

Во всяком случае чудовищная величина электрических сил, сопутствующих сейсмическому процессу, — факт бесспорный, яркое электрическое сияние, предупреждающее порой по ночам о близящейся катастрофе и долгие годы почитаемое за легенду, теперь уже наконец многократно отмечено учеными и сфотографировано (даже на цветную пленку).

Вот что происходило в Ташкенте накануне памятного всем землетрясения 25 апреля 1966 года.

"В 5 часов 22 минуты утра, когда солнце еще пряталось где-то за горизонтом, из-под земли с шипением вырвался и взвился над крышами ташкентских домов гигантский огненный факел. Довольно четко очерченный по краям и размытый в верхней части, он округло расширялся и напоминал по форме пламя колоссальной свечи. Оторвавшись от Земли, таинственное предзнаменование растворилось в полыхающем розоватом свете зарниц. Яркая вспышка подобно вражеской ракете осветила силуэты домов, которые через несколько мгновений подземным силам предстояло разрушить.

В эту же ночь наблюдалось и другое, не менее примечательное явление. За несколько часов до утренней катастрофы в некоторых домах, расположенных в эпицентре предстоящего землетрясения, люминофор ламп дневного света начал самопроизвольно светиться... Некоторые утверждали, что видели свечение внутренней поверхности стен квартиры, искрение близко расположенных, но не соприкасавшихся друг с другом электрических проводов..."

Эта длинная цитата — из книги ташкентского сейсмолога В. И. Уломова. Там же рассказывается и о странных неполадках, которые начались в 500-метровой скважине, набитой сейсмометрической аппаратурой, вскоре после главного толчка. Хорошо изолированный кабель, ведущий к проводам, был пробит зарядом величиной около 5-10 тысяч вольт. На поверхности земли с жил кабеля с шипением текли электрические заряды.

В Японии, где землетрясения особенно часты и где были сделаны все известные фотографии "предупреждающего" сведения, было установлено, что предупреждающие "вспышки" очень часто вовсе не вспышки, а довольно длительное сияние, зарождающееся, разгорающееся и гаснущее за 10-20-40 секунд. Одна серия фотографий, сделанных через каждые две секунды, образовала целый фильм. Японцы давно знают о прогностическом значении этого сияния и по мере сил "слушаются" его. Сияние — это очень краткосрочный, за десятки секунд и минуты, но зато уже почти верный прогноз!

...Когда напрягаются недра перед толчком, порой на глазах у людей происходят географические изменения, обычно скрытые своей медлительностью. Например, река начинает необычно быстро подмывать один из берегов, сигнализируя тем самым об интенсивном поперечном наклоне своего ложа. Иногда берег на глазах вырастает чуть ли не на метры. Но видимые изменения — редкость. Приборы — наклономеры и деформографы — с большой точностью измеряют все невидимые глазу изменения в ходе обычных современных тектонических движений. И почти всегда необычные отклонения предрекают сейсмическую бурю. Деформации измеряют с помощью длинной кварцевой трубы, малейшее нажатие на которую возбуждает в ней пьезоэлектричество. В заброшенных шахтах устанавливают лазеры. Луч — игла лазера — на расстоянии до полутора километров при малейшем изменении наклона чертит уверенный, крупный зигзаг.

Конечно, недостаточно просто видеть необычный зигзаг и смутно чувствовать, что это неспроста. Плох ученый, который довольствуется внешними признаками явления, не докапываясь до его физической сути. Так он никогда не уйдет далеко даже с самыми блестящими приборами. Настоящего прогноза не будет.

Что такое землетрясение? Как оно связано с горообразованием? Какие силы главные, какие второстепенные? Движутся ли материки, наконец? Обращаясь ко всем этим вопросам для решения своих собственных задач, сейсмолог волей-неволей втягивается в споры и проблемы века.

...На космическом снимке странно и остро любопытно видеть знакомые места. Два небольших снимка — стереопара — совмещаешь (при известном опыте можно и без стереоскопа), и вот перед тобой в серебристом пространстве повисает шнурок великой долины Сурхоба-Кызылсу. Неудержимо притягивается взгляд к сложному узлу у Хаита, где к великому Сурхобскому разлому косо подходит река Ясман, а ты уже знаешь, что это не просто река, а Комароу-Ясманская зона нарушений, самая опасная, обложенная многочисленными (нашими и американскими) станциями: сотрудничество в действии. А с севера еще прямое ущелье речки Туратол — голубые воды, и, может быть, здесь закладывается — на новую беду Хаиту — еще одна молодая меридиональная разрывная структура?

Долина Сурхоба-Кызылсу тянется почти на широте далеко на восток. Там, вдали, Хаит — эпицентр катастрофического землетрясения 1949 года. Дальше — Киргизия, Алайская долина. На всем ее протяжении вдоль южного (на снимке правого) берега тянется нитка великого разлома-надвига. Правая часть снимка — это по существу север Памира, древней Гондваны, левая — самый юг Тянь-Шаня, древней Евразии. Великий контакт. Недаром недра Гармского района — сейсмичнейшие в СССР.

До рези в глазах вглядываешься в ту точку, где должно быть пятнышко обвала от Хаитской катастрофы. Не видно, а до чего же могуче выступает и страшно выглядит эта свежая рана на теле горы вблизи, когда самолет, делая виражи, совершает облет — круг почета. И странное чувство исследователя катастроф: хочется, чтоб их не было, и нужно, чтоб были...

Иначе — как изучать?