Как можно изучать землетрясения? Какие новые возможности открывают здесь спутниковые данные? Что такое цифровая модель рельефа? Можно ли научиться управлять землетрясением? Какая информация особенно важна для геофизиков? Об этом мы беседуем с главным научным сотрудником Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта членом-корреспондентом РАН Валентином Олеговичем Михайловым, заведующим лабораторией комплексной геодинамической интерпретации наземных и спутниковых данных.
— Валентин Олегович, чем конкретно занята ваша лаборатория?
— Вопрос комплексной интерпретации геофизических данных очень актуален. Мы изучаем некоторые поверхностные проявления тех неоднородностей, которые имеются внутри Земли, по геофизическим полям разного рода. Скажем, мы измеряем гравитационное поле, где имеем положительную аномалию — снизу у нас какие-то массы более плотные, где-то отрицательные — значит, менее плотные. Мы измеряем магнитное поле, и оно нам дает информацию о положении кристаллических намагниченных пород. Сейсморазведка позволяет анализировать сейсмические волны: мы выясняем, где находятся отражающие границы. Есть еще электроразведка. Много разных методов. Но это все методы косвенные — мы изучаем что-то на поверхности и стараемся понять, как все устроено внутри. Ни один из геофизических методов сам по себе нам не дает однозначной картины.
— Поэтому важна комплексная интерпретация?
— Да. Есть такое понятие «неоднозначность решения обратных задач», когда вы, скажем, измерили гравитационное поле и под это поле можете построить много разных распределений плотности. Какое из них правильное? Надо привлечь другие данные. Комплекс — это все свести в одно, и это очень актуальная задача, которая была поставлена очень давно, может быть, 100 лет назад.
А вот идею геодинамической интерпретации мы развиваем уже много лет, еще с моей кандидатской диссертации. У меня был замечательный руководитель — академик Вениамин Петрович Мясников, которого сейчас уже нет, к сожалению. Когда-то он высказал такую идею: допустим, мы построим некую численную модель того, как развивался какой-то процесс, например как формировался осадочный бассейн: прогибалась земная кора, накапливались осадки, шла деформация. Предположим, мы построили такую модель. Теперь по ней можно посчитать гравитационное поле, магнитное поле, отражающие границы, как он погружался. И потом все параметры нашей модели можно определить по тем геофизическим и геологическим данным, которые у нас есть.
— Это и есть комплексный подход?
— Именно так. Мы строим модель и определяем ее параметры по всему комплексу. Это очень интересный подход, потому что, скажем, гравитационное поле, магнитное, сейсморазведка показывают нам строение в настоящий момент. А что показывает тепловое поле, зависит от времени. Если у нас есть еще данные бурения, геологи нам скажут, что в такое-то время бассейн прогибался быстрее, в такое-то — медленнее, тогда-то здесь был морской бассейн, а здесь было мелко. Если у вас есть геодинамическая модель, вы все это увязываете в одно — исторические данные и современные. Это очень продуктивный подход. Мы его начали развивать в конце 1970-х гг., а сейчас он постепенно внедряется и у нас, и за рубежом.
— Расскажите о результатах этого внедрения.
— Мы построили целый ряд разных моделей, в том числе осадочных бассейнов, того, как формируются горные сооружения. А конкретно — определяли параметры для Кавказа, для бассейнов Восточно-Европейской платформы и т.д.
— Вот вы создали эту модель, а дальше что с ней делаете?
— Например, мы ее создали для Восточно-Европейской платформы. У нас здесь есть глубокие осадочные бассейны, вот прямо под нами. Интересно, что нефти не нашли нисколько, хотя они глубокие.
— А что нашли?
— Да ничего. Правда, недалеко находится Курская магнитная аномалия, где есть железные руды. Но с помощью полученной модели мы исследовали, как формировались эти бассейны. Потом этот подход получил развитие в связи с тем, что мы стали заниматься спутниковыми технологиями. Этому способствовал научный обмен. Я в свое время ездил в командировки в Геологическую службу США, во Францию. И там меня очень заинтересовал метод под названием «спутниковая радарная интерферометрия».
Суть его в том, что есть спутниковые радары. Вообще, очень многими спутниковыми технологиями мы обязаны военным. Как, скажем, спутниковая навигация, которая сначала делалась для военных, а потом ее открыли для гражданского применения.
И вот возникла задача: делается оптическая съемка, но только днем, в безоблачную погоду, и часть территории не видно. Разработали радары, которые посылают излучение к Земле, принимают отраженный сигнал — как осветили прожектором и увидели изображение. Собственно, первая задача, которая стояла перед разработчиками, была решена: увидеть поверхность Земли в любое время суток, при любой облачности.
Дальше ученые стали это изучать и выяснили, что если вы два раза снимете одну и ту же поверхность, то многое можно понять по тому, как вернулся электромагнитный сигнал. Вы его пустили, он вернулся один раз с небольшим сдвигом, второй раз — с другим сдвигом по фазе. Если этот сдвиг фазы, этой синусоиды, проанализировать, то окажется, что в основном он зависит от топографии. Это была совершенно революционная вещь.
— И что из этого последовало?
— Появилась возможность по спутниковым радарным снимкам строить цифровую модель рельефа. Эти цифровые модели рельефа сейчас существуют и в открытом доступе. Есть очень точные модели отдельных районов.
Но мысль двинулась дальше: вот мы пустили сигнал один раз, второй... При этом есть компонент, который зависит от рельефа. А давайте его уберем? Убрали. Вроде бы теперь все должно совпадать? А не совпадает.
— Почему?
— Потому что отражающая площадка, от которой вы получили сигнал первый и второй раз, за это время могла сдвинуться. Оказалось, что вы можете по спутниковому снимку за время между повторной съемкой определять смещение земной поверхности или строений, которые на ней расположены. Например, спутник «Сантинель», который сейчас летает, снимает каждые 12 дней. Вот турецкое землетрясение: был снимок за восемь дней до, другой — через четыре дня после него. По этим снимкам получаем карту смещений, скажем, 300 × 300 км, на которых видим смещение с точностью до сантиметра.
Знаете, это до некоторой степени парадокс. Вот вы хотите измерить, как изменилась высота поверхности за какое-то время. Обычный человек возьмет линейку, придет в это место. А оказывается, надо подняться в космос на 400 км, и оттуда вы определите изменения на всю площадь с очень хорошей точностью.
— То есть большое видится на расстоянии?
— Погрешности есть, конечно. Электромагнитная волна идет через атмосферу, взаимодействует, поглощается, рассеивается. Конечно, помехи присутствуют. Но точность все равно бóльшая. Кстати, то, что для нас помехи, для атмосферщиков — хлеб насущный. По тому, как задерживается сигнал, они много узнают об атмосфере, о ее состоянии.
Так вот, у нас в лаборатории очень активно развивается технология определения смещений земной поверхности с очень высокой точностью, с маленькой ошибкой. Мы строим модель, скажем, для Турции, и по этому полю смещения четко видим, где разлом и как он двигался. Мы рисуем этот разлом, продолжаем его вниз по данным геологии и геофизики и определяем поле смещения, где, на сколько метров внутри на этой поверхности произошли смещения. Отсюда можно прийти к выводам, какие напряжения там разрядились.
— Что это дает?
— В частности, важный для Турции вопрос: у них в 2020 г. было землетрясение севернее нынешнего. Надо понять: нынешнее землетрясение дошло до поверхности разрыва 2020 г.? Если дошло, то мы тут не ожидаем ничего нехорошего, а если остался кусок, который не раскрылся, значит, он раскроется через какое-то время.
— И каков результат?
— Наши американские коллеги пришли к результату, что осталась «дырочка», невскрытая зона. Предупредили турецких коллег о том, что может быть землетрясение магнитудой шесть баллов. А мы получили данные, что они сошлись.
— А почему разные результаты?
— Дело в том, что мы использовали больше данных и у нас более сложные модели. Я считаю, что у нас лучше получилось.
— Сколько ждать, чтобы проверить, кто оказался прав?
— Подождем полгода: если не произойдет, значит мы правы.
— Каковы прикладные возможности применения ваших исследований?
— Они бесконечны. Например, на нефтяных месторождениях происходят оседания, и по тому, где они происходят, а где не происходят, можно определить, откуда идет отбор нефти, а откуда она не пошла. Или — где поднятие, там идет закачка вытесняющего раствора. Такие определения смещений на нефтяных месторождениях активно ведутся. Мы ведем работы по мониторингу оседания в городе Березняки на Урале. Там находятся старые калийные рудники. В советские времена строили город над шахтами. А шахты — соляные, пласты растворяются водой. Но выше шахт есть водозащитная толща, довольно мощный глинистый слой. Если внизу идет подработка и образуются большие полости, то этот слой может начать разрушатся. Конечно, стараются этого избежать, оставляют целики как подпорные колонны, но все же иногда водозащитный слой трескается, в калийный рудник начинает поступать вода и часть рудника затапливает.
В Березняках произошли провалы. Часть города отселена. И мы вместе с наземными геодезистами регулярно ведем со спутника мониторинг, смотрим, где и как оседает, с какой скоростью, ускоряется или нет. Могут возникнуть какие-то новые места.
— Наверное, можно изучать и еще какие-то природные явления?
— Можно исследовать оползни. Мы также занимаемся вулканами: в некоторых случаях магма поднимается к поверхности и не выходит на нее, а внедряется в трещины, образуя магматические тела внутри вулканов. В частности, мы делали такую работу по вулкану Корякский — там возникли боковые конусы, из которых был выброс пара и шлака.
Сложились две гипотезы. Одна — что произошло растяжение, образовалась трещина, туда пошла вода, достигла разогретой магмы и стала выбрасывать пар на поверхность. Вторая — что магма подошла и внедрилась в постройку вулкана. Мы нашли по интерферометрии, что вокруг этих боковых жерл образовалось довольно приличное поднятие, в 20 см, большое по площади, и его никак не объяснить, кроме как внедрением магматического материала. Подтвердилась вторая гипотеза. Так что спутниковая геодезия очень много добавляет к обычной геофизике.
В частности, наши глобальные навигационные спутниковые системы — ГЛОНАСС, GPS и все прочие — тоже помогают определять смещения. Это привело к целому ряду интересных открытий.
— Например?
— Например, так называемые тихие землетрясения. Прогноз землетрясений во многом основывается еще и на статистике. Есть так называемые зоны субдукции, где одна литосферная плита погружается под другую, и там регулярно происходят землетрясения. Идет смещение. А есть участки, где этих землетрясений давно не было. Но это значит, что оно скоро будет. Вот эти сейсмические «бреши» — очень хороший подход к тому, чтобы оценить: здесь опасное место.
В Японии огромное количество станций GPS, буквально вся страна покрыта. И они обнаружили такой эффект. У них был запертый участок, и он на две трети открылся двумя землетрясениями, но остался кусочек — значит, здесь произойдет новое землетрясение.
— А не происходит?
— Не происходит! Но GPS фиксирует, что пошло движение без генерации сейсмических волн. Оно продолжалось месяцев восемь или девять. Сняло эти напряжения. В эквиваленте оно как раз соответствовало шестибалльному землетрясению!
— А нельзя такими сделать все землетрясения?
— Был фильм про Джеймса Бонда, где злодей закачивал воду в Сан-Андреас, чтобы произошло землетрясение и разрушилась половина Америки. Нет, мы пока не умеем управлять землетрясениями.
Но мы делали работу, где показали: в дождливый сезон, когда вода проникает в разлом, увеличивается сейсмическая активность. Просто потому, что разлому легче проскальзывать.
Чем еще хороши спутниковые технологии? Сейчас есть довольно плотная система глобальных навигационных станций — GPS, ГЛОНАСС, которые расставлены в сейсмически активных районах. Но все равно вы записываете в точках. А там, где вы не ожидаете, не было измерений. Вы потом придете измерить, а что было до этого?
Так вот, спутник снимает все время. При этом данные оказались настолько ценными, что Европейское космическое агентство хранит их с 1990-х гг. Они могут дать снимки для изучения какого-то района за очень удаленный период.
— А что это за технология, связанная с гравитационным полем?
— Гравитационное поле интересно для всех. Его определяют по спутниковым орбитам в виде разложения по сферическим гармоникам. С развитием технологий спутники стали относительно дешевы в запуске. Раньше их запускали на высоту 20 тыс. км, где гравитационное поле сильно сглажено, вы ничего не увидите. А сейчас стали запускать очень низко, пробовать разные технологии.
Существует пара спутников «Грейс», которые летают друг за другом на низкой орбите. «Грейс» — это аббревиатура от Gravity Recovery And Climate Experiment. Наземные станции и спутники GPS и ГЛОНАСС следят за их орбитой для определения гравитационного поля, но еще эти спутники с очень высокой точностью все время измеряют расстояние между собой. Это аналогично тому, как если два вагончика едут по американским горкам, которые в США называются «русские горки». Вот вы вместе едете вниз, потом передний вагончик пошел наверх, а задний еще идет вниз, и расстояние сокращается. А потом, когда задний еще карабкается, а передний уже пошел вниз, расстояние увеличивается.
Так же с гравитационным полем. Расстояние все время «дышит», и это существенно повышает точность восстановления гравитационного поля. Первый продукт, который они получили, — это довольно хорошие модели гравитационного поля, особенно в сумме с наземными измерениями. Второй интересный продукт: оказалось, что данных за один месяц достаточно, чтобы построить модель гравитационного поля Земли. Модели не очень детальные, но, сравнивая их, вы видите, как меняется поле.
— Как же оно меняется?
— А меняется оно очень интересно. Вы видите «дыхание» в дельтах огромных рек типа Амазонки: сток увеличивается, сток уменьшается. Над ледниками вы видите линейное убывание, потому что они тают. Вы видите все ледники в Патагонии, на Аляске, в Антарктиде и можете определить скорость, массу, которая уходит. А то, что получатся какие-то результаты для геодинамик, этого никак не ожидали.
Я в этот момент был в командировке во Франции, и мы там посчитали задачу: если вдруг произойдет землетрясение магнитудой девять баллов, изменится гравитационное поле, увидит его спутник или нет? В качестве тестового примера мы взяли два землетрясения: на Аляске в 1964 г. и в Чили в 1960 г. Это были два крупнейших землетрясения с магнитудой около девяти баллов. «Грейс» запустили на пять лет. Поэтому наша работа была теоретической.
Мы опубликовали эту работу в августе 2004 г., а в декабре происходит Суматранское землетрясение. И спутник его видит — все подтвердилось! А потом и Тохоку в Японии, и в Чили…
— Как будто специально, чтобы подтвердить вашу правоту?
— Вот так интересно совпало. «Грейс» планировали на пять лет, спутники пролетали 15, и за это время произошло много землетрясений. Сейчас летает такая же вторая пара.
Эта информация важна еще вот почему: многие сильные землетрясения происходят в зонах субдукции, которые на большей площади покрыты океаном. Значит, никаких измерений, в том числе интерферометрии, на воде не провести. А гравитационное поле дает картину, покрывающую большие территории. Может быть, не очень детально, но дает. Эти данные тоже вошли в наше геодинамическое моделирование. Например, мы «делали» чилийское землетрясение: там была геодезия обычная, спутниковая, интерферометрия, гравитационное поле... В рамках модели можно все собрать воедино и получить новую информацию.
Но большие землетрясения происходят редко, слава богу. И мы их уже изучили. А временные ряды идут, каждый месяц эти модели можно изучать. И мы стали просто смотреть, есть ли какие-то места, где гравитационное поле вело бы себя спокойно, а потом стало расти или убывать.
Таких мест мы нашли довольно много. Оказалось, что многие из них совпадают с локациями небольших землетрясений. То есть само землетрясение маленькое, его не видно в гравитационном поле, оно не дало скачка, а после него поле начинает расти.
— Например?
— Так произошло с Симуширским землетрясением на Курильских островах. Оно было в ноябре, а поле начало расти с марта. Когда мы посмотрели сейсмичность, оказалось, что афтершоки до марта шли мелко. А в марте вдруг пошли на глубину до 100 км. Мы увидели в гравитационном поле растущую аномалию: видимо, сейсмический разрыв стал продолжаться, уходить на глубину, но не вызывал больших землетрясений.
— Чем важна эта информация?
— Такие интересные эффекты изменения гравитационного поля в местах небольших землетрясений показывают, что, видимо, эти землетрясения потом, как триггер, запускают смещения на глубину или в более широкой области на поверхности. То есть все это позволяет выяснить какие-то новые эффекты, что всегда важно.
— Что вы хотите еще выяснить с помощью ваших моделей?
— У нас сейчас идет проект по Камчатке. Мы собираем радарные снимки, гравитационное поле, смотрим сейсмичность и изучаем те события, которые там происходят. Стараемся развивать наши модели. Дело еще вот в чем: при интерпретации геофизических данных возникают так называемые обратные задачи, когда надо уметь находить параметры моделей. Эти задачи сложные, неустойчивые, некорректные. Значит, надо развивать методики, чем мы и занимаемся.
Надо сказать, немногие занимаются сейчас этими исследованиями в нашей стране. Если молодежь прочитает эти строки, заинтересуется и начнет активнее приходить к нам, будет очень хорошо, потому что это не только очень важно, но и очень интересно.
