Пресса об РФФИ

РФФИ поможет ученым предсказывать землетрясения

Дата публикации: 27.11.2013

Предыдущий Следующий

При поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и правительства Иркутской области российские ученые разместили на дне самого большого в мире пресноводного озера уникальную глубоководную геофизическую станцию. Есть основания надеяться, что полученные с ее помощью данные позволят сейсмологам предсказывать землетрясения за двое суток до их начала и заблаговременно оповещать людей о грозящей катастрофе.

Весной этого года учеными Иркутского государственного университета, центра геоэлектромагнитных исследований Института физики Земли имени О.Ю. Шмидта РАН (ЦГЭМИ ИФЗ РАН) и Института ядерных исследований (ИЯИ РАН) была установлена уникальная глубоководная станция, есть основания надеяться, что получаемые с ее помощью данные о электрическим полем Земли, могут быть использованы для предсказания землетрясений. Первая версия аппаратуры была размещена вблизи Байкальского глубоководного нейтринного телескопа НТ200 в районе мыса Ивановский на Южном Байкале (на 106 км Кругобайкальской железной дороги), который, как оказалось, является источником сильных помех для высокоточных геофизических измерений, поэтому позже станция для измерения электрического поля была перенесена на 5 километров дальше «в море», где глубина озера 1370 метров. Благодаря финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и правительства иркутской области разработана и установлена на Байкале измерительная аппаратура нового поколения, которая дает информацию для предсказания землетрясений в радиусе 50 км от установки, а в перспективе, в случае успешно завершенного эксперимента, ученые попытаются распространить полученный опыт для предсказания землетрясений в других частях нашей планеты.

Байкал выбран неслучайно. Само озеро – это будущий океан, который ежегодно расширяется примерно на 2,5 см. Конечно, образование нового океана – процесс небыстрый, байкальский регион – это часть рифтовой зоны, как и в зоне других глубоководных тектонических разломов, здесь часто происходят сильные землетрясения, угрожающие спокойствию местных жителей природными катаклизмами.

Иркутская область и Республика Бурятия, расположенные вблизи озера, не являются самыми безопасными с сейсмической точки зрения регионами. Площадь сейсмически «неспокойной» территории составляет более 750 тыс. кв. км. Здесь раз в несколько лет происходят довольно сильные подземные толчки, достигающие 8 баллов по шкале Рихтера. А «маленькие» сейсмические события уже давно стали для жителей этих регионов нормой. Так, количество землетрясений магнитудой до 3 баллов, регистрируемых учеными в течение года, достигает 3 тыс. Согласитесь, статистика немного пугает. Но не ученых из Иркутского госуниверситета, Института физики земли РАН и Института ядерных исследований РАН. Для них озеро стало идеальным плацдармом для «охоты» на землетрясения и попыток разгадать тайны подземных гроз.

Для точного предсказания землетрясений между датчиками «предсказательной» аппаратуры должны быть большие расстояния, а длина всей установки - превышать километр, в настоящее время установка подобной конструкции на суше не представляется возможной.

Ранее ученые со всего мира пытались размещать подобное оборудование в скважинах или при помощи кораблей, но большое количество помех в первом случае и отсутствие устойчивости во втором не позволили провести полноценный эксперимент. Соленая вода также затрудняет подобные измерения, она непременно должна быть пресной.

Таким образом, в мире существует всего два идеальных места для проведения исследований – озеро Танганьика в Восточной Африке и родной Байкал.

Выбор для наших ученых был очевиден.

По словам директора НИИ прикладной физики ИГУ Николая Буднева, «в будущем на Байкале будет создана система глубоководных станций для многопараметрических измерений, позволяющих предсказывать место, время и магнитуду сильных землетрясений». Однако давайте вернемся ненадолго в прошлое. С чего же все начиналось?

Путь исследователей к созданию столь уникального научного объекта имеет богатую историю. Так, еще в 1960 году академик М.А. Марков предложил революционную идею создания крупных подземных и подводных детекторов нейтрино. Именно при поддержке академика были созданы первые в стране нейтринные обсерватории, одна из которых и базируется на озере Байкал.

Нейтринный сигнал может стать ключиком ко многим тайнам Вселенной, однако на базе новых технологий, возникших в ходе реализации идей академика Маркова, успешно развиваются новые направления исследований, имеющие важное практическое значение. Одно из таких приложений – поиск способов кратковременного прогноза грозящих человечеству сейсмологических опасностей.

Кроме того, следует отметить многолетнюю поддержку РФФИ научно-исследовательских проектов по проблемам озера Байкал и Байкальского региона. Проведение регионального конкурса «РФФИ-Байкал» способствовало росту количества научных разработок и консолидации усилий ведущих групп ученых в регионе. На протяжении более чем 10 лет существования конкурса особое внимание всегда уделялось междисциплинарным исследованиям. Совместные усилия специалистов в различных областях знаний позволили научным группам достичь весомых результатов. По итогам проведенных конкурсов были опубликованы сотни статей и десятки учебников. Многие ученые называют поддержку РФФИ инвестициями в регион и байкальскую науку.

Ученые понимали, что для качественного измерения электрических полей нужна километровая установка. Долгие годы экспериментов в шахтах и с кораблей в морской воде ничего не давали. Неизвестно, сколько бы продолжались эти попытки, если бы не одна случайная встреча. В 2003 году двое выдающихся ученых – директор Центра геоэлектромагнитных исследований ИЗФ Виталий Шнеер и ведущий инженер Института ядерных исследований РАН Андрей Панфилов оказались в нужное время в нужном месте, а именно в поезде, где они и придумали, как решить задачу. Геофизик Виталий Шнеер, долгое время изучавший эту тему, посетовал на невозможность проведения чистого эксперимента. Тогда Андрей Панфилов предложил идею, ставшую впоследствии судьбоносной в истории предсказания землетрясений, а именно – установить аппаратуру на озере Байкал. Это положило начало плодотворному сотрудничеству ученых-физиков коллаборации «Байкал» и геофизиков.

Итак, десять лет назад, в 2003 году, были сделаны первые шаги к созданию станции, которая позволит ученым внести вклад в исследование природы землетрясений и, возможно, научиться предсказывать их появление за сутки - двое до сильных толчков. Ее создание – это результаты кропотливой работы в рамках Байкальского нейтринного проекта и долгих лет теоретических и практических исследований ученых Центра геоэлектромагнитных исследований Института физики Земли РАН и Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова РАН.

Таким образом, начиная с 2003 г. в озере Байкал на акватории Южно-Байкальской глубоководной котловины проводится непрерывная работа по измерению показателей электрического поля Земли. Первая установка представляла собой электрическую антенну для измерения вертикальной компоненты электрического поля Земли. Станция стала первой установкой таких размеров в практике морских электромагнитных исследований. В течение пяти лет, с 2003 по 2008 год в регионе не происходило значительных сейсмических событий, но 27 августа 2008 года произошло сильное землетрясение магнитудой 5.9 – 6.4 баллов, эпицентр которого находился в 16,4 км от установки. Тогда в близлежащем поселке Култук было разрушено большое количество зданий, включая общеобразовательную школу. Ущерб составлял сотни миллионов рублей, к счастью, никто не погиб. 

Последующий анализ, полученных с помощью геофизической станции данных, показал, что за двое суток до начала землетрясения в электрическом поле начали происходить необычные изменения, подобных которым не было ни до, ни после за 7 лет наблюдений! Это позволяет думать, что зарегистрированный эффект связан с мощным сейсмическим событием. Тщательное изучение данных позволило исследователям найти проявившиеся примерно за 2 суток до события «ранние» предвестники землетрясения, представляющие собой необычные «цуги» правильных колебаний с периодом около 90 с, и начавшееся около полудня 26 августа примерно за 15 часов до землетрясения резкое нарастание электрического поля, которое закончилось пиком в момент землетрясения, этот процесс может рассматриваться как «поздний» предвестник. Все это хорошо видно на рисунке, показывающем изменения 

электрического поля с 22 по 30 августа 2008 года. Механизмы формирования «ранних» и «поздних» предвестников, по-видимому, различны, что также следует из моделей, предложенных для объяснение зарегистрированного эффекта. Особая ценность полученных результатов состоит в том, что, если предположение о связи изменений в электрическом поле с сейсмическим событием правильное, то впервые становится возможным говорить не просто о том, что в данном районе возможны сильные землетрясения, но с полной неопределенностью точного местоположения эпицентра, времени и магнитуды события, но давать предупреждение о том, что в ближайшие часы в окрестности с радиусом в несколько десятком километров возможно сильное землетрясение. Именно такое предсказание может спасти тысячи жизней в случае угрозы жителям крупного населенного пункта. Конечно, для доведения этой идеи до практики нужно еще решить много и научно-технических, и организационных проблем. Если говорить о 

Байкальском регионе, то, по крайней мере, в южной части озера надо создать сеть глубоководных станций с аппаратурой подобной той, которая установлена сейчас вблизи Байкальского нейтринного телескопа. Все станции должны непрерывно передавать на берег с помощью акустики информацию об изменениях электрического поля Земли. Эта информация должна автоматически обрабатываться в режиме «on-line», и в случае обнаружения предвестников приближающегося землетрясения немедленно передаваться в МЧС для принятия мер по спасению людей.

«Положительные результаты выполненных исследований стали основанием для разработки следующего поколения более совершенной глубоководной системы для экспериментального наблюдения геоэлектромагнитного поля в режиме мониторинга и изучения связей с гидродинамическими и тектоническими процессами в оз. Байкал, а также для разработки методов прогностического применения результатов исследований», - говорит Николай Буднев.

Этой более совершенной станцией стала новая уникальная глубоководная научная установка, погруженная на дно Байкала в марте 2013 года. Главное, что отличает ее от своей предшественницы – это более совершенные датчики электрического поля и более точная электроника, в следующем году будет реализована возможность передачи данных по акустическому каналу в береговой центр Байкальской нейтринной обсерватории, а далее посредством сети Интернет они станут доступны в режиме реального времени всем заинтересованным пользователям. И если раньше можно было заблаговременно регистрировать подземные толчки, достигающие магнитуды 6-7 баллов по шкале Рихтера (при меньших магнитудах могло не хватить разрешения аппаратуры), то порог чувствительности новой должен быть меньше на 1 – 2 балла.

Новая станция стала первой из серии усовершенствованных установок, позволяющих производить долговременные многопараметрические наблюдения.

Основа всей станции – натянутый трос длинной более километра, который соединяет тяжелый груз на дне озера с поплавком или, как называют его ученые – буем, в 20 м от поверхности. Почему же поплавок не болтается на поверхности, спросите вы? Здесь есть своя хитрость, летом его могут зацепить проходящие мимо суда, а зимой он обязательно вмерзнет в лед. Каждая мелочь в станции имеет свое значение.

Благодаря данной конструкции трос постоянно натянут, на нем распределены измерительные датчики и электронная аппаратура, фиксирующая колебания электромагнитного поля Земли, отражающие изменения в водной толще озера-гиганта, различные процессы в литосфере, ионосфере, и даже на Солнце.

Верхний электрод расположен на глубине 35 м от притопленного поплавка, нижний – значительно глубже, на высоте 30 м над дном. Напомню, что глубина озера в этом районе составляет 1370 м. Блок электроники в прочном водонепроницаемом корпусе помещен в контейнер, расположенный рядом с верхним электродом.

Высокоточная электроника обрабатывает передаваемые датчиками сигналы и сохраняет во внутренней памяти прибора, в будущем данные будут передаваться на берег по акустическому каналу, а далее в столицу в Институт физики земли.

Эта уникальная система позволяет улавливать минимальные колебания в электрическом поле Земли, за счет огромной измерительной базы, была придумана и сделана российскими учеными, нигде в мире нет ее аналогов. Еще один явный плюс разработки – это невысокая стоимость используемой аппаратуры, что в перспективе позволит разместить сеть станций по всему озеру.

Уже этой зимой ученые смогут извлечь из станции карту памяти, на которой в течение всего года с марта месяца записываются данные измерений. Возможно, сопоставление полученных данных об электрическом поле с информацией о сейсмической активности позволит сделать следующий шаг в разработке методов на пути к превращению фантастической мечты геофизиков всего мира в реальность. Перспективы круглогодичной многолетней работы наших исследователей в тяжелейших условиях сложно недооценить, ведь вполне возможно, что уже в ближайшем будущем мы сможем получать информацию о грозящих 

землетрясениях, просто посмотрев прогноз погоды.

Справка

Николай Михайлович Буднев, доктор физико-математических наук директор Научно-исследовательского института прикладной физики Иркутского государственного университета. Область научных интересов: физика высоких энергий, физика космических лучей, нейтринная астрофизика, науки о Земле.

Фотографии предоставлены директором НИИ прикладной физики ИГУ Николаем Будневым.

Екатерина Саруль, РФФИ