Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 495, № 2, стр. 46-50

Ситуация в области краткосрочного прогноза землетрясений обсуждалась различными авторами на протяжении длительного периода времени; при этом высказывались как оптимистические, так и пессимистические оценки относительно возможностей такого прогноза [11]. Отдельные публикации, хотя и весьма неполные, отмечают отсутствие удовлетворительных результатов в данном направлении и в самые последние годы [5]. При этом большинство подходов к выявлению предвестников землетрясений (при попытке краткосрочного прогноза) направлены на выделение некоторых (неочевидных, скрытых) закономерностей из большого ансамбля наблюдаемых данных (которые могут включать сейсмологические, геодезические, акустические, электромагнитные, атмосферно-химические и иные наблюдения). По существу, речь идет о задаче распознавания образов [14], занимающей центральное место в области популярных сегодня техник анализа с использованием машинного обучения. Важно подчеркнуть, что в рамках такого подхода не учитывается конкретный физический механизм, стоящий за прогнозируемым явлением, и не дается количественного объяснения наблюдаемых распределений тех или иных параметров (полей, сигналов). Представляется, что в условиях относительно непродолжительной истории инструментальных наблюдений, отсутствие физической модели является серьезным недостатком такой концепции, а прогноз, получаемый в ее рамках с применением даже наиболее совершенных методов статистики и анализа, заведомо содержит элемент неопределенности, что подтверждается материалом наблюдений и соотношением предсказанных и не предсказанных событий.

Настоящее сообщение основано на 10-летнем опыте мониторинга напряженно-деформированного состояния, выполняемого с использованием детальной количественной геомеханической модели, построенной для региона Южной Калифорнии. Эта модель учитывает текущую слабую сейсмичность и дает возможность отслеживать динамику напряженно-деформированного состояния региона, что позволило выявить на временном горизонте 1–2 мес предвестники сильных (M > 7) сейсмических событий 2010 и 2019 г. [3, 4, 7, 8]. Следует сделать оговорку, что выводы, носящие достаточно общий характер, базируются именно на данных, полученных для сейсмоактивных провинций Южной Калифорнии и для других сейсмически опасных территорий, могут быть не столь категоричны.

Мотивацией работы явилось отсутствие в модельных данных сдвиговых деформаций, превышающих фоновые, в поверхностном слое земной коры перед землетрясением М = 7.1 в районе г. Риджкрест 06.07.2019 во всей эпицентральной зоне (116.8°–118.2° с.ш., 35°–36° в.д.) [4, 8]. Расчет сдвиговых деформаций проводился в трех слоях верхней и средней земной коры (интервалы глубин 0–3, 3–7 и 7–15 км) в соответствии с выражением

где ${{\varepsilon }_{{ij}}}$ – компоненты тензора деформаций. Максимальные значения γ вычислялись в пределах эпицентральной области размером порядка 150 × 150 км. Установлено, что в период с середины апреля до начала июня 2019 г. зона аномальных значений сдвиговой деформации локализуется в непосредственной близости (20–30 км) от северо-западного крыла очага землетрясения.

Из рис. 1 следует, что аномальные значения сдвиговых деформаций, вызванных сейсмическим процессом за время около двух месяцев перед событием, приурочены к глубоким слоям на глубинах порядка 10 км и более. При этом деформации, обусловленные в модели процессами разрушения земной коры, в верхнем слое и на поверхности Земли имеют значения, не превосходящие фоновый уровень. Характерные пространственные размеры наблюдаемых зон сдвиговых деформаций в поверхностном слое составляют от первых километров до 10–15 км, что делает крайне сложным их детектирование с использованием существующей сети геодезического мониторинга (рис. 2). Аналогичная ситуация имеет место для серии землетрясений 2009–2010 гг. с М = 5.5–5.9 и землетрясения М = 7.1 в 2010 г. Таким образом, на всем протяжении многолетнего мониторинга сами фоновые вариации сдвиговых деформаций в поверхностных участках земной коры оказываются существенно меньше, чем на глубинах, где происходит основное количество событий.

Практически полное отсутствие сдвиговых деформаций, превышающих фоновые, вблизи поверхности Земли непосредственно в эпицентральных областях перед землетрясениями достаточно критично для инструментальных наблюдений, связанных с приповерхностными процессами [15]. Это касается в первую очередь прямых геодезических измерений на земной поверхности и деформационных наблюдений в неглубоких шахтах. Построение поля поверхностной деформации на основе спутниково-геодезических измерений с использованием ряда специальных методов позволяет выявить особенности тектонического строения исследуемого региона и протекающих в нем геодинамических процессов, включая общий характер движения плиты, деформирование внутриплитных областей и активизацию разломных зон [10, 13]. Тем не менее измеряемые в этом случае деформации могут быть связаны с процессами, не имеющими прямого отношения к разрушению земной коры перед землетрясением и имеющими иные пространственно-временные масштабы [9, 12].

Таким образом, использование поверхностных деформаций для целей краткосрочного прогнозирования землетрясений вряд ли может оказаться эффективным из-за их локальности (по сравнению с шагом сети геодезического мониторинга) и быстрой временной динамики. Следует отметить, что приведенные на иллюстрациях абсолютные значения деформаций могут быть смещенными в силу ряда недоучтенных в модели факторов, что может быть скорректировано путем калибровки, но не имеет принципиального значения, поскольку наиболее важную роль играет относительная динамика изменений напряженно-деформированного состояния, а не абсолютные значения тех или иных его параметров.

В свете сказанного, по опыту калифорнийских землетрясений представляется, что для краткосрочного прогнозирования предпочтительными могут быть методы, осуществляющие мониторинг свойств горных пород и процессов, связанных с деформациями на тех глубинах, где происходят сами события. Здесь могут оказаться эффективны методы глубинного сейсмического просвечивания, измерения акустических эмиссий, теплового режима и дегазации разломных зон. Детальный анализ возможностей подобных методов выходит за рамки данной работы. Существенной сложностью является то обстоятельство, что связь между глубинными деформационными процессами и измеряемыми величинами описывается некоторой функцией, неопределенность которой обусловлена отсутствием детальных модельных представлений и соответствующих количественных оценок. Так, например, во время эксперимента с использованием мощного промышленного взрыва на Амударьинском разломе [1] измерения количества выходящих газов в двух близкорасположенных скважинах оказались существенно различными, что отражает необычайно неоднородную структуру процессов деструкции и флюидодинамики в зоне сейсмического очага.

В этой связи следует отметить метод линеаментного мониторинга интегральных свойств разломов, связанных, скорее всего, с изменениями режима дегазации перед крупными землетрясениями, которые видны из космоса по изменениям характеристик земной поверхности в оптическом диапазоне. Метод успешно зарекомендовал себя в краткосрочном прогнозировании ряда землетрясений в Калифорнии [2].

И, наконец, в качестве перспективного направления в решении проблемы краткосрочного прогноза предлагаются прямые количественные расчеты пространственно-временного распределения глубинных деформаций и сопутствующих свойств геологической среды, связанных непосредственно с процессом разрушения земной коры перед землетрясениями. Такие расчеты могут проводиться с использованием детальных геомеханических моделей, в которых максимально подробно учитываются свойства земной коры и известные тектонические воздействия, влияние собственного веса, рельефа и теплового режима [3]. При этом зоны разломов рассматриваются как области с некоторой первичной поврежденностью, обусловливающей снижение прочностных характеристик среды. В роли входных экспериментальных данных выступает вся локальная текущая сейсмичность, которая и характеризует процесс разрушения земной коры перед каждым крупным событием. При этом каждое землетрясение в зависимости от магнитуды рассматривается как новый дефект земной коры, приводящий к перераспределению напряженно деформированного состояния.

Применение данной технологии за последние 10 лет в Южной Калифорнии позволило выявить краткосрочные предвестники за первые недели и месяцы для землетрясений М = 5.5–7.2 на глубинах порядка 10 км в таких параметрах, как сдвиговые деформации, касательные напряжения и параметр D, отражающий степень близости среды к пределу прочности [7, 8].