Физики устроили землетрясение в лаборатории, что приблизило науку к управлению стихией

Работа опубликована в журнале Scientific Reports. Наука добавляет промежуточные тона черно-белому восприятию окружающего мира человеком. В случае с землетрясениями раньше считалось, что существует две крайности: либо земная кора покоится, либо происходит землетрясение, которое невозможно не заметить. На самом же деле все сложнее. Землетрясение является следствием сдвига друг относительно друга блоков земной коры вдоль тектонического разлома.

Кроме обычных землетрясений, существуют «медленные», при которых происходят настолько слабые колебания земной коры, что зачастую люди не ощущают их вовсе, хотя энергия в ходе такого события может выделиться такая же, как при обычном землетрясении. Такие события возможно зафиксировать только инструментально. Поэтому ученым необходимо понять, что определяет формирование разных типов землетрясений и существуют ли общие закономерности между этими процессами.

«Потенциальная задача — научиться трансформировать обычное землетрясение в медленное. Сделать так, чтобы энергия выделялась, а разрушений за счет упругих колебаний не происходило. Но на сегодняшний день еще нет глубокого понимания механики и природы разных типов скольжений блоков земной коры вдоль разлома, приводящих к разным видам землетрясений. Мы пытаемся разобраться в этой механике. И в настоящий момент мы уже научились воспроизводить в лаборатории аналоги этих событий: медленные и быстрые землетрясения», — комментирует соавтор работы Алексей Остапчук, старший научный сотрудник Института динамики геосфер РАН, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики геосистем МФТИ.

Но в природе нельзя опуститься на глубину гипоцентра землетрясения и посмотреть, какой там материал, измерить напряжения. Единственный способ получить хоть какую-то информацию о текущих процессах на глубине — это анализ сейсмических колебаний, идущих из зоны разлома, либо колебаний, которые проходят сквозь разломную зону и могут нести информацию о ее состоянии. Авторы работы исследовали акустические колебания, которые возникают при зарождении лабораторных землетрясений, чтобы «прочитать» историю механических движений в зоне разлома и предсказать момент начала землетрясения.

«Мы использовали при моделировании тектонического разлома гранитные блоки, пространство между которыми заполняем гранулированными материалами (песком, глиной, гранитной крошкой) с разными характеристиками (размером частиц, влажностью). В реальном разломе такая же раздробленная среда, только масштаб гораздо больше.

При разных землетрясениях излучаются свои характерные волновые формы: при быстрых (“обычных”) землетрясениях мы видим импульс с резким внезапным началом, а при медленных событиях колебания нарастают постепенно, их начало сложно определить, поэтому в лабораторных условиях раньше их не обнаруживали. Мы же в этой работе показали, что важно смотреть наряду с амплитудой и энергией на волновую форму импульса и что медленные и быстрые типы землетрясений можно наблюдать в лабораторных экспериментах», — поясняет Алексей Остапчук.

Обработав огромный объем сейсмоакустических данных, авторы выделили два принципиальных класса импульсов. Оказалось, что по форме акустических импульсов действительно можно судить о том, что происходит с разломом, причем быстрые и медленные микрособытия отвечают за разные структурные зоны в этом разломе. Быстрые микрособытия — за разрушение силового каркаса и эволюцию напряженной структуры. Медленные же связаны с подвижностью отдельных разгруженных элементов разломной зоны. Таким образом, выявленные закономерности позволяют предположить, что скорое землетрясение можно предсказать по анализу сейсмоакустических данных.

Следующим шагом, приближающим возможность трансформирования быстрых землетрясений в медленные, должно стать изучение техногенно-тектонических землетрясений, которые непосредственно связаны с инженерной деятельностью человека, а именно, добычей минерального сырья. Такие события происходят на глубинах, где непосредственно происходит разработка месторождений. Зная структурные особенности разломов и блоков на месторождении за счет механических действий, можно будет прогнозируемо изменить режим скольжения, что позволит отработать методы преобразования быстрого землетрясения в медленное.

Существуют два разных подхода. Первый подход — за счет внешнего взрывного воздействия попытаться снизить интенсивность землетрясения, то есть разменять одно большое землетрясение на множество мелких. Но этот путь зачастую не дает никакого выигрыша в безопасности для людей. Второй способ — это инжекция специальных жидкостей или флюидов в разломную зону. Тогда в зависимости от свойств флюида хрупкое разрушение переходит в механизмы вязкопластичной деформации.

«Мы в своих лабораторных экспериментах начинаем понимать, какую жидкость надо инжектировать в разлом, какие свойства этой жидкости должны быть и какой характерный размер зоны воздействия должен быть. Следующий шаг — выявление особенностей структуры разломов на основе сейсмоакустических данных и, тем самым, определение зоны воздействия. Это будет новый этап нашего понимания природы землетрясений», — заключает Алексей Остапчук. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда. 

ФизТех

381 статей

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.

Показать больше