Почему невозможно точно предсказать землетрясения?

Данная статья, первоначально опубликованная после двойного землетрясения в Венесуэле 24 июня, была обновлена после землетрясения в Колумбии 10 августа.

Ежегодно Национальный центр информации о землетрясениях Геологической службы США (USGS) регистрирует и локализует около 20 000 землетрясений по всему миру, что составляет примерно 55 событий в день. Некоторые из них слабые, другие же, как недавние землетрясения в Колумбии (10 августа) или Венесуэле (24 июня), приводят к многочисленным жертвам и разрушению зданий.

Согласно данным, начиная с 1900 года, ежегодно в среднем происходит около 16 крупных землетрясений, из них 15 магнитудой 7 и одно магнитудой 8 или выше, по данным USGS.

В отличие от других стихийных бедствий, таких как ураганы, где точные прогнозы позволяют заранее эвакуировать население и спасать жизни, землетрясения до сих пор не поддаются точному предсказанию.

Что же мешает ученым с уверенностью предсказывать их возникновение?

Спасатель просит тишины, чтобы услышать возможные голоса выживших во время спасательных операций в Кали после землетрясения 10 августа на западе Колумбии. (Фото: Reuters)

Внезапное высвобождение напряжения

Землетрясения возникают из-за внезапного высвобождения напряжения, которое постепенно накапливается вследствие движения тектонических плит вдоль геологического разлома. Предсказание землетрясения требует знания трех переменных: места, магнитуды и точного времени его возникновения.

По словам Антонио Моралеса Эстебана, профессора инженерии грунтов из Севильского университета и специалиста по сейсмической инженерии, ученые с определенной точностью могут определить первые два параметра. Они изучают разломы, их размеры, скорость смещения плит и другие характеристики, чтобы оценить максимальную магнитуду, которую может вызвать данный разлом, а также прогнозировать годовое количество землетрясений.

Однако определить точное время события крайне сложно из-за самой природы землетрясений. Напряжение накапливается в зонах контакта между плитами, подобно тому, как сжатые кулаки скользят друг по другу, пока не произойдет внезапное и непредсказуемое скольжение. Это напряжение может накапливаться десятилетиями, но нет способа точно определить, когда будет преодолен порог сопротивления и энергия высвободится.

Профессор Артуро Бельмонте, эксперт по сейсмологии из Университета Консепсьон в Чили, объясняет, что тектонические силы действуют постоянно, создавая давление с разной интенсивностью и скоростью. Горные породы способны выдерживать это накопление нагрузки до тех пор, пока не будет превышен предел их прочности. Он приводит аналогию с деревянным карандашом: он не ломается сразу, а постепенно изгибается, пока не сломается, когда сопротивление будет превышено.

Ученые знают, что высвобождение напряжения происходит с определенной периодичностью — десятки или сотни лет. В сейсмоактивных регионах, таких как Чили, землетрясения магнитудой более 8 имеют периоды повторяемости в 80–100 лет. Тем не менее, точное время следующего события остается неизвестным. Определяются так называемые сейсмические пробелы (gaps) – зоны, где давно не было крупных землетрясений, например, Атакама (последнее крупное событие в 1922 году). Это дает лишь долгосрочное представление о потенциально опасных областях, но не позволяет предсказать, что «в эту субботу в три часа дня произойдет событие такой-то магнитуды в таком-то месте».

Деревянный карандаш не ломается сразу, а накапливает напряжение. Так же происходит и с тектоническими плитами. (Фото: Getty Images)

Ограничения современного знания

Невозможность предсказать точное время землетрясения также связана с ограничениями существующих научных инструментов и моделей. Моралес Эстебан поясняет, что, если представить себе разлом не как два сжимающихся кулака, а как сложную структуру длиной в десятки и сотни километров с различными материалами, углами и конфигурациями, становится ясно, насколько задача усложняется.

С текущим уровнем инструментария и знаний предсказать момент невозможно. Для создания точной модели потребовалось бы знать накопленное напряжение и сопротивление материала в каждой точке разлома, что в настоящее время недостижимо. Сопротивление материала играет ключевую роль в магнитуде землетрясения: высокопрочные породы накапливают больше напряжения, приводя к мощным землетрясениям (как, например, в зоне разлома Азорских островов-Гибралтара, где происходят землетрясения магнитудой более 8); мягкие же породы чаще вызывают небольшие толчки. Например, в Испании, где живет Моралес Эстебан, землетрясения магнитудой выше 6 редки из-за более мягкого материала.

Артуро Бельмонте отмечает, что современное оборудование не позволяет измерять процессы на больших глубинах. Землетрясения происходят в условиях экстремальных давлений и температур, и ученые не могут наблюдать эти явления напрямую, как метеорологи наблюдают движение облаков. Человек проникал в шахты лишь на глубину до четырех километров, а самая глубокая скважина времен СССР достигла 12 км. Однако радиус Земли составляет 6370 км, что означает отсутствие доступа к тем глубинам, где могут зарождаться предвестники землетрясений.

Кроме того, геологические разломы не являются однородными, а данные, доступные для изучения, относительно ограничены. Например, Насканская плита погружается под другую уже около 23 миллионов лет, но у ученых есть информация лишь за последние 500 лет.

Сильные землетрясения магнитудой 7,2 и 7,5, произошедшие 24 июня в Венесуэле, были разделены 39 секундами, согласно Геологической службе США. (Фото: Getty Images)

От животных до газов: существуют ли предвестники?

В прошлом много говорилось о возможных предвестниках землетрясений, таких как изменения в поведении животных. Однако Моралес Эстебан подчеркивает, что научные исследования никогда не подтверждали причинно-следственной связи между странным поведением животных (лаем собак, полетами птиц) и приближением землетрясения. Это также не имеет смысла, поскольку напряжение накапливается на глубинах в десятки и сотни километров, и нет никаких оснований полагать, что животные могут почувствовать момент его высвобождения.

Бельмонте добавляет, что наблюдаемые ранее признаки не являются систематическими. Он приводит пример из Китая 1975 года, когда перед крупным землетрясением были замечены изменения в содержании газа радона, электрической проводимости, странное поведение животных (змей, собак) и небольшие микротолчки. Тогда удалось эвакуировать город, и землетрясение действительно произошло. Однако год спустя, в 1976 году, ни один из этих признаков не был замечен перед одним из самых катастрофических землетрясений в мире, унесшим жизни более 200 000 человек. Это указывает на то, что такие предвестники непостоянны и могут появляться даже без последующего землетрясения.

Чилийский эксперт также делится личными наблюдениями: после разрушительного землетрясения 2010 года, унесшего жизни более 500 человек, он общался со многими жителями побережья. Рыбаки рассказывали о необычно спокойном море в ту ночь, а люди отмечали непривычно высокую температуру. Однако, по его словам, эта информация носит анекдотический характер и не является систематической основой для точных предсказаний типа: «27 февраля в такое-то время произойдет землетрясение».

«С имеющимся сегодня инструментарием и уровнем знаний предсказать момент землетрясения невозможно». (Фото: Getty Images)

Искусственный интеллект

Некоторые современные исследования используют инструменты искусственного интеллекта для поиска повторяющихся закономерностей перед землетрясениями, благодаря способности этой технологии обрабатывать огромные объемы данных. Бельмонте рассказывает о проектах в районе Атакамы, где на дне океана устанавливаются приборы, а также ведется GPS-мониторинг изменений земной коры. По его словам, эти технологии могут помочь приблизиться к наблюдению предвестников, но он не осмелился бы утверждать, что это приведет к возможности точного предсказания сейсмических событий.

Ранее команда Моралеса Эстебана исследовала использование нейронных сетей для измерения магнитуды землетрясений и времени между ними. Нейронная сеть — это вычислительная модель искусственного интеллекта, имитирующая человеческий мозг, состоящая из взаимосвязанных узлов (искусственных нейронов), которые обрабатывают данные и самостоятельно обучаются распознавать сложные паттерны. Ученые пытались измерить накапливающееся напряжение, используя параметр «значение B», который отражает соотношение между размерами землетрясений. Были выявлены определенные зависимости, позволяющие вывести вероятности, но это не являлось предсказанием.

Моралес Эстебан подчеркивает, что искусственный интеллект чрезвычайно полезен для обработки информации, но для дальнейшего прогресса необходимы и другие инструменты. Необходимо расширить знания о структуре разломов, сопротивлении материалов, а также разработать методы испытаний при высоких давлениях и температурах, что крайне сложно. «Это очень сложная тема, и, честно говоря, в краткосрочной или среднесрочной перспективе предсказать землетрясение так, как нам бы хотелось – например, сказать, что завтра в 8 вечера будет землетрясение такой-то магнитуды – представляется очень сложным. Нам не хватает базовых знаний», – говорит он. В качестве примера он приводит Японию, где, несмотря на высокую осведомленность ученых, землетрясение 2011 года произошло в зоне, которая сотни лет считалась неактивной и сейсмически спокойной, но в итоге оказалась крайне разрушительной.

Getty Images: Обрушившиеся здания в штате Ла-Гуайра, одном из наиболее пострадавших от землетрясений 24 июня в Венесуэле.

«Ключ к успеху — в снижении уязвимости»

Бельмонте отмечает, что, поскольку точных предсказаний землетрясений, к сожалению, не существует, несмотря на наличие долгосрочных вероятностных моделей, единственным эффективным способом остается предотвращение. Это включает в себя отчеты о сейсмической опасности, системы раннего оповещения и антисейсмические строительные нормы.

Моралес Эстебан подчеркивает, что «ключ сегодня лежит в уязвимости» – в том, как мы строим и насколько общество готово к тому, чтобы в случае землетрясения минимизировать ущерб и как можно быстрее восстановиться. Испанский эксперт считает, что если бы те же землетрясения в Венесуэле произошли в Чили или Японии, потери жизней и материальный ущерб были бы значительно меньше. Это объясняется тем, что эти общества подготовлены, здания соответствуют строгим сейсмическим нормам, которые строго соблюдаются.

В случае Венесуэлы, геологи, вероятно, знали о потенциальной магнитуде и разломах в регионе, то есть о сейсмической опасности. «Проблема возникла из-за другой части уравнения: уязвимость оказалась очень высокой. Таким образом, сочетание сейсмической опасности и высокой уязвимости привело к очень высокому риску и катастрофическим последствиям», – утверждает он.

Кроме того, разрушительным оказался эффект двух последовательных крупных землетрясений. Когда после одного сильного толчка, который уже повредил или разрушил конструкции, следует еще одно, более мощное, поврежденные строения, которые могли бы устоять, в итоге обрушаются.