|
Читайте также: |
24.07.11
Короновский Н.В., Наймарк А.А.
ПРОГНОЗ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ СЕГОДНЯ: ВЫЗОВЫ И ОТВЕТЫ
Аннотация
Обсуждено состояние проблемы прогноза сильных землетрясений, которые до настоящего времени являются неожиданными или "предсказанными" постфактум. Критически рассмотрены существующие стратегия и тактика решения проблемы. Проанализированы возможности и ограничения в представлении сейсмического процесса как отражения законов эволюции нелинейных сильно неравновесных геодинамических систем. Показано, что нет ни теоретических ни эмпирических оснований, чтобы надеяться на возможность прогноза сильных землетрясений с необходимой точностью и надежностью. Традиционно полагают, что для надежного и точного прогноза необходимо и достаточно совершенствовать методы исследования и знания о механизме процесса и строении геосреды. Но уже давно известны нелинейные системы, которые в условиях сильной неравновесности эволюционируют принципиально непредсказуемо, детерминированно-хаотически. Таковы и сейсмогеодинамические системы. В основе неудач прогнозов землетрясений то, что: а) сейсмичность проявляется во фрактальной грубо-дискретной среде; б) разрушение развивается от микроуровня к макроуровню; в) раскол любого объема любого ранга непредсказуемо перестраивает условия возникновения последующих разрушений; г) процесс чрезвычайно зависим от малейших изменений начальных условий. Важную роль играют неустойчивые связи параметров геосреды с очагами землетрясений, бифуркационность сейсмического процесса, высокая вероятность развития любой трещины в крупный сейсмогенный разрыв, непредсказуемость перехода сейсмоактивного района к неустойчивости с «выбором» какого-то одного из нескольких, неотчетливо различных по степени подготовленности «кандидатов» в очаги. Можно предвидеть характер процесса в целом, отдельных его стадий, притягивающего состояния (аттрактора), сценариев перехода от стадии к стадии. Но надежность и точность предсказаний конкретных событий весьма далеки от требований практики. Даже минимально необходимые требования к прогнозу в принципе недостижимы. Существует непреодолимый горизонт прогнозируемости, достигаемый раньше, чем необходимое качество прогноза. Стратегия прогнозирования сводится к выявлению некой предвестниковой аномалии. Но она для надежного прогноза должна контрастно выделяться и быть единичной на обширном окружающем фоне. Однако, в реальной геосреде выявляется несколько аномалий, незначимо уступающих размерами и интенсивностью наиболее надежной. Обнаружение последней снижает вероятность пропуска опасного события, но другие аномалии уменьшают определенность прогноза, поскольку главная аномалия теперь не единична и неконтрастна на окружающем неоднородном фоне. Устойчиво надежные предсказания места, времени и силы конкретных событий с требующейся точностью невозможны. Очевидна альтернатива: определенный, но неадекватный прогноз конкретного события на основе нереалистичной модели геосреды или реалистичная модель среды с неизбежной неопределенностью прогноза.
Введение. Проблема прогнозирования землетрясений (шире – геокатастроф), возникнув как чисто прикладная, в последние десятилетия вышла далеко за эти рамки. Сейчас она, став в практическом отношении еще актуальнее, вместе с тем составляет часть грандиозной, фундаментальной проблемы: что (и почему) возможно (а что – нет) прогнозировать и реконструировать в науках о Земле, в естествознании в целом.
Оптимисты в этих вопросах те, кто убежден в исторически неограниченном потенциале технологий: пополнения, обновления и совершенствования эмпирических методов и фактуального базиса. Пессимисты указывают на неудачи прошлого опыта, но не отвечают на вопрос о том, можно ли, а если нет – то почему, достичь опытным путем успеха в будущем? Наиболее основательны и трудно опровержимы доводы тех, кто исходит из базовых теоретических положений нелинейной динамики: обширный класс не только сложных, но и относительно простых систем в условиях сильной неравновесности эволюционирует особым образом: принципиально непредсказуемо, детерминированно-хаотически. Большинство, если не все природные системы, в том числе, сейсмогеодинамические, принадлежат к этому классу.
Постановка задачи. Прогноз землетрясения даже профессионалами нередко еще трактуется как определение: 1) места, 2) времени и 3) интенсивности (энергии) события. В таком представлении задача могла бы считаться уже решенной – для любого района и без специальных исследований, притом – со сколь угодно высокой точностью. Но надежность подобного прогноза была бы близка к нулю. Равно возможен и вполне достоверный прогноз, но – исчезающе малой точности.
Очевидно: ни абсолютно прогнозируемых, ни абсолютно непрогнозируемых явлений не существует; все оценки здесь относительны. Поэтому любые практические действия и теоретические дискуссии по проблеме прогнозирования имеют смысл, только если четко установлены некоторые определенные требования к качеству результата. Именно с таких позиций должны обсуждаться взгляды о прогнозируемости или непрогнозируемости событий вообще, и сообщения о якобы устойчиво (до 90%!) подтверждаемых прогнозах, в частности. Всегда должно быть вполне ясно, о чем идет речь: что, конкретно, с какой точностью и надежностью прогнозируется. Именно необходимость достижения заранее задаваемых, определенных уровней этих двух характеристик, а вовсе не любое указание места, силы и времени будущего события – главная трудность в проблеме прогнозируемости. Здесь точность – максимальные значения допустимых ошибок по каждому из вышеупомянутых 3-х показателей, а надежность – вероятность реализации прогноза с назначенной точностью.
Естественно: требования к надежности и точности могут быть разными для разных показателей и целей прогноза, а повышение его точности (при достигнутом уровне изученности) неизбежно снижает надежность, и наоборот. Важно понимать, что при недостаточно высокой точности прогноза, например, по месту или по магнитуде землетрясения, даже точное предсказание времени события лишается практического смысла.
Сказанное поясняется диаграммой качества прогноза (рис. 1), где показаны по горизонтали – его надежность (Н), по вертикали – точность (Т), кривая 1 – зависимость точности от надежности. Если заданы значения Н minи Т min, минимально удовлетворяющие требованиям для некоторых конкретных целей, то на диаграмме выделяются области прогноза: неудовлетворительного по надежности (I), по точности (II), по надежности и точности (III), удовлетворительного по надежности и точности (IV). Для повышения качества прогноза (для перемещения кривой 1 в область IV без снижения требований к точности и надежности) стремятся совершенствовать методы регистрации, обработки и интерпретации
|
наблюдательных данных, углублять знания о механизме процесса и строении геосреды, представляюшихся чрезвычайно сложными. Это считалось необходимым и достаточным для того, чтобы обеспечить, в принципе, неограниченное повышение качества прогноза. Но сейчас такая возможность представляется нереальной в свете изучения сейсмического процесса как выражения общих закономерностей эволюции нелинейных сильно неравновесных геодинамических систем [1]. Как предостерегал российский геофизик А.В. Николаев,нелинейная динамика сулит нам не только множество открытий, но и множество «закрытий».
Что же оказалось в действительности?
Выяснилось, в частности, что механизмы геологических процессов, на основе знания которых мы строим прогнозы, во многих случаях не столь уж сложны; они, в принципе, познаваемы. Но в условиях сильной неравновесности ( когда и происходят геокатастрофы!) эти механизмы порождают принципиально неустранимую хаотичность динамики. При этом ее непредсказуемость, как сказано выше, не абсолютна. Можно предвидеть характер процесса в целом, отдельных его стадий, притягивающего состояния (аттрактора), сценариев перехода от стадии к стадии. Но надежность и точность предсказаний конкретных событий остаются весьма далеки от требований практики. Более того, каждый очередной шаг к достоверному прогнозу (рис. 1, кривые 2, 3) обходится все дороже. В дальнейшем его цена оказывается непомерно высокой; и, наконец, выясняется, что даже минимально необходимые требования к точности и надежности прогноза в принципе недостижимы. Нелинейная динамика ввела в научный оборот новое фундаментальное понятие, немыслимое в классической науке: горизонт прогнозируемости. Существуют некие пределы точности (ГТ) и надежности (ГН) прогнозирования, за которые невозможно выйти ни при каких методических ухищрениях. И эти пределы во многих случаях достигаются раньше (граница ГТ-ГН), чем необходимое качество прогноза.
Открытие такого принципиально непреодолимого горизонта стало для естественников очень болезненным «закрытием». Они со своими традиционными методами прогнозирования на основе линейных представлений о реальности оказались оттеснены в своего рода «резервацию» – область слабой неравновесности. Там прогнозирование возможно, но – там нет катастрофических событий, прогноз которых насущно необходим.
Естественные науки оказались перед фундаментальным вызовом, конструктивный ответ на который пока не сформулирован. Среди естественников наблюдается некая растерянность, потеря ориентиров. С одной стороны, прогнозы, несомненно, реально востребованы, на это выделяются средства, порой немалые, приводятся примеры удачных прогнозов. С другой стороны, уже ощутимая близость фатально непреодолимого горизонта предсказуемости и, несмотря на все усилия, еще далекая от желаемой устойчивость надежных и точных прогнозов, делают надежды на будущие успехи иллюзорными. Сохраняется тенденция не замечать проблему, работать в русле прежних, линейных представлений. Наблюдения продолжаются, факты накапливаются, методы совершенствуются, время от времени сообщается об успехах, даже о достижении теоретического и методического решения проблемы. Но разрушительные землетрясения по-прежнему оказываются неожиданными, «предсказанными» постфактум и с неудовлетворительной точностью.
Тактика и стратегия. Ранее авторами [2, 3] уже была обоснована сомнительность надежд на эффективность таких путей к точному и надежному прогнозу, как физическое моделирование, исследование временных рядов событий, использование геохимических и геодезических предвестников. В основе неудач – невозможность учета грубодискретной фрактальности геосреды, неустойчивости связей ее параметров с очагами землетрясений, бифуркационности сейсмического процесса, его зависимости от малейших изменений начальных и текущих условий, высокой вероятности развития любой трещины в крупный сейсмогенный разрыв, непредсказуемости перехода сейсмоактивного района к неустойчивости с «выбором» какого-то одного из нескольких, неотчетливо различных по степени подготовленности «кандидатов» в очаги.
Так, геофизический мониторинг действительно выявляет аномальную «консолидацию» – согласованность поведения геофизических полей в области будущего землетрясения. Но наряду с аномалиями, расцененными постфактум как предвестники, зафиксированы и иные вариации, ненамного меньшие или незначимо бóльшие по амплитуде, но не предварявшие сильные землетрясения. В то же время некоторым сильным землетрясениям не предшествовали какие-либо явные признаки.
Сейчас ясно, что какой бы ни была тактика прогнозирования, т.е. какие бы факторы ни учитывались, динамика каких бы параметров ни отслеживалась и какие бы методы ни использовались, стратегия сводится к стремлению как можно отчетливее выявить некую предвестниковую аномалию. Но она для вполне надежного прогноза должна быть единичной и контрастно выделяющейся на достаточно обширном окружающем фоне. Это предполагает
|
Рис. 2. Аномалии-предвестники землетрясений в моделях геосреды: сплошной (a) и квазисплошной (b) с макронеоднородностью, грубодискретной (c) (объяснение в тексте)
среде система макроразрывов и регионального нагружения в основном соответствует природной обстановке, то устойчиво адекватны ей будут также размещения максимумов интенсивности локальных напряжений вблизи каждого крупного разрыва.
Однако, если бы в реальности и существовала исходно квазисплошная среда, она в ходе растрескивания при достаточно интенсивном нагружении неизбежно должна была бы самоперестраиваться в иерархически-дискретную – с соотношением линейных размеров элементов на смежных рангах в среднем всего 3,5: 1 [4]. Это, при естественном значительном внутриранговом разбросе размеров конкретных блоков, должно приводить к следующему. Некоторой крупной аномалии в общем случае будут предшествовать и пространственно с ней соседствовать также иные аномалии, незначимо отличные от нее по интенсивности и длительности существования, что затрудняет идентификацию одной из них в качестве наиболее вероятного предвестника сильного землетрясения. При этом на пути к возникновению сейсмогенного макроразрыва каждый акт микро- и мезоразрывообразования вызывает в ближайших окрестностях на своем, а также на всех подчиненных рангах множественные случайные перестройки напряженно-деформированного состояния, непредсказуемо определяющие размещения, ориентации плоскостей и векторы более поздних разрывных смещений.
В этих обстоятельствах достаточно тщательный мониторинг должен будет выявлять наряду с аномалией-предвестником сильного землетрясения множество аномалий-предвестников других, значимо или незначимо более слабых разновременных событий. Макроаномалия-предвестник сильного землетрясения проявится, следовательно, не на квазиоднородном фоне. Она возникнет после (во времени) и среди (в пространстве) множества предшествующих (а в конечном счете – и последующих) аномалий не одного, «микроскопического», а нескольких подчиненных «мезоскопических» рангов.-
Таким образом, в эксперименте даже если крупные модельные разломы соответствуют природным по ориентации и расположению, то их состояние (способность воспринимать сомасштабную им нагрузку, характер их реакции на ее воздействие, конкуренция как источников стока энергии между собой и с неконтрастно отличными от них по размерам меньшими разрывами) будет кардинально и непредсказуемо изменчиво в зависимости от малейших деталей заданной начальной структуры и характера нагружения. Соответственно, будут непредсказуемо изменчивы возмущения модельного регионального поля напряжений, его соотношений с распределением реальных землетрясений и прогнозируемых сейсмических очагов. В реальности прогнозируемые состояния эволюции динамической системы, чрезвычайно зависимые от малейших деталей предыстории, крайне неустойчивы, и поэтому практически все землетрясения случаются непредвиденно.
Это ожидаемо и при изучении, например, выделений радона из породного массива, проницаемость которого при сжатии снижается, а при разгрузке увеличивается. Неединичность и неконтрастность различий амплитуд наблюдаемых колебаний концентрации радона в грубодискретной самоподобно структурированной геосреде затрудняют однозначную идентификацию наиболее надежной аномалии-предвестника. Другой метод – геодезического и геофизического мониторинга деформаций на участке заторможенности сдвигания по крупному разлому – предполагает заблаговременный выбор одного из таких участков. При малой контрастности их различий в грубодискретно и самоподобно структурированной, самоорганизованно-критично нагруженной геосреде уверенно предпочесть одного из нескольких «кандидатов», взаимно конкурирующих в ходе отнюдь не монотонной динамической и структурной подготовки, трудно или невозможно.
Физическое моделирование сейсмогенной структуры. Фундаментальная проблема физического моделирования дислокаций и напряжений в земной коре, чреватая серьезной переоценкой полученных ранее научных и практических результатов, состоит в том, что структура, задаваемая в экспериментах, которые имитируют возникновение и развитие дислокаций, не обладает самоорганизованной грубодискретной фрактальностью природной геосреды – самоподобием ее блоковой делимости. Задание же фрактальной исходной структуры приводило бы к крайне неустойчивому результату моделирования, вероятность совпадения которого с некоторым одним, реализуемым в действительности из множества теоретически возможных, устремлена к нулю [3].
Парадигма «кусковатости» геологической среды [5], сочетаясь с концепциями нелинейной динамики и фрактальной геометрии природы, побуждает к пересмотру многих устоявшихся взглядов в теоретической и экспериментальной геодинамике.
Традиционно в физических моделях задавались разрывная структура конкретного района и отвечающая реальности ориентация нагружения. Полученная картина возмущенного регионального поля напряжений сопоставлялась с проявлениями сейсмичности в целях ее прогнозирования. Полного совпадения локального поля напряжений в модели и в участке земной коры быть не может, так как модель заведомо не воспроизводит многие особенности строения участка коры, системы разломов и поля напряжений. Не учитывались различия механических свойств отдельных блоков и величин коэффициентов трения на разных отрезках зон разломов, наличие в земной коре участков с веритикальными или наклонными движениями блоков фундамента, а также наличия в массивах (кроме упругих деформаций) квазивязкого течения и пластических деформаций, развитие нарушений и т.д.
Однако полагали, что, если основные черты системы разломови внешнего поля напряжений выбраны верно и соответствуют природным, то устойчивые и крупные области повышения и понижения величин локальных напряжений должны иметь место и в земной коре конкретного региона; то же относится и к ориентации главных напряжений вблизи крупных разрывов.
Но при этом получить устойчиво адекватные результаты можно, лишь если моделируемый процесс малочувствителен к задаваемым в модели условиям, когда малые неточности в их задании иили небольшие их изменения ведут к пропорционально небольшим изменениям результата. То есть, моделирование целесообразно лишь на относительно небольших удалениях системы от исходного равновесия, например, в пределах упругости или при малых значениях пластической деформации, когда нелинейный процесс еще можно в приемлемом приближении рассматривать как линейный. При больших пластических и тем более разрывных деформациях ситуация кардинально изменится: в общем случае должна будет проявиться свойственная нелинейным системам чрезвычайная неустойчивость поведения – сильная и непредсказуемая зависимость от малейших изменений начальных условий, например, от переориентации осей напряжений.
Однако модельная структура в экспериментах, имитирующих возникновение и развитие разрывных дислокаций, не отражает, и, по объективным причинам не может верно отражать надежно установленную и тщательно исследованную в последние годы ее естественную грубодискретную фрактальность [5-21]. Под этим понимается, в частности, самоподобие блоковой делимости: в некотором отношении «кусковатая» геосреда на разных масштабных уровнях устроена одинаково. Тем самым при моделировании не выполняется принципиально важное в рассматриваемых задачах условие подобия структуре реальных породных массивов.
В них по данным многочисленнных натурных наблюдений и экспериментов в широком диапазоне (несколько порядков) выдерживается в среднем небольшое (3,5:1) соотношение линейных размеров блоков на смежных рангах. Таким образом, неизменно фигурирующего в экспериментах скачкообразного перехода от грубодискретной среды к квазисплошной ни на каком масштабном (ранговом) уровне в реальных породных массивах в общем случае не наблюдается. Соответственно немногочисленные макроаномалии низкорангового поля напряжений в действительности не обособлены отчетливо на квазиоднородном фоне, а размещаются среди множественных разноранговых, неконтрастно различающихся по размерам аномалий по крайней мере одного-двух мезомасштабных рангов. Для изучения изложенных особенностей «…полезными оказались понятия и методы фрактальных множеств…» [там же, с. 7]. Так, недавно В.С. Захаровым [8] исследованы связи фрактальных размерностей сети разрывов и распределения сейсмичности на огромной территории от Альп до Камчатки и Курил. Получены количественные характеристики самоподобия сейсмического процесса и разрывообразования в диапазоне двух-трех порядков пространственных масштабов.
Важное значение здесь приобретает концепции ее самоорганизованной критичности [17]. Это понятие акцентирует важные аспекты. Во-первых, естественность самоподобия: не привнесенность извне путем искусственной нарезки, как в экспериментах, а спонтанность возникновения в силу особенностей внутренних связей диссипативной системы литосферы. Во-вторых, самоорганизованность подразумевает не мгновенность, не одноактность, но определенный процесс: стадийность формирования самоподобной структуры в том или ином макрообъеме среды на любом ранге от микроуровней к мезо- и макроуровням. А отсюда с учетом дискретности, бифуркационности разрывообразования вытекает вывод о нелинейности и чрезвычайной зависимости хода процесса от начальных условий и о принципиальной невозможности модельного воспроизведения реальной последовательности тех или иных единичных актов разрывообразования (местоположение, ориентация, амплитуда смещения) при том или ином способе приложения нагрузки.
Если результат моделирования линейного процесса по мере увеличения адекватности задаваемой начальной структуры становится все устойчивее, то в случае нелинейности картина обратная: задание все более адекватной начальной структуры приводит к все менее устойчивому результату, вероятность совпадения которого с некоторым одним, реализуемым в действительности из множества теоретически возможных, стремится к нулю.
Но в реальном эксперименте такую структуру задать нельзя. Это неосуществимо технически: возможности нарезки разноранговых блоков в небольших моделях чрезвычайно ограничены. Невозможно это и в принципе. В реальный породный массив структура, как указано выше, не привносится извне. Она самоорганизуется там в ходе естественного – многоциклового, нелинейного и непредсказуемого в деталях процесса деформирования и разрушения, при многократных переориентациях осей напряжений на каждом структурном уровне. Ни этот процесс, ни получаемая на том или ином его этапе структура в принципе невоспроизводимы.
Из этого следует, что даже если наиболее крупные модельные разломы в целом и соответствуют природным по ориентации и относительному расположению, то их состояние будет кардинально и непредсказуемо изменчиво в зависимости от малейших деталей той или иной их предыстории. Компоненты такого изменчивого состояния: простирания и падения отдельных отрезков сместителя, сочленения их между собой и с причлененными или пересекающими их разрывами. С этим связаны: способность крупных разрывов воспринимать сомасштабную им нагрузку, характер их реакции на ее воздействие, условия конкуренции их как источников стока энергии между собой и неконтрастно отличными от них по размерам более высокоранговыми разрывами. Соответственно будут непредсказуемо изменчивы картины возмущенного регионального поля напряжений, расположения и конфигурации его аномалий, их соотношения с распределением происшедших землетрясений и размещением прогнозируемых потенциальных сейсмических очагов.
Даже если достаточно адекватную, грубодискретно фрактальную структуру в модели и удалось бы задать, результат экспериментирования получился бы крайне неустойчивым и неадекватным, причем независимо от того, насколько точно по отношению к природным разрывам удалось воспроизвести в эксперименте начальные взаиморасположения и ориентации модельных крупных нарушений.
Высказываемые иногда утверждения о неслучайном, не хаотическом, а вполне закономерном и упорядоченном характере деформационного геопроцесса, сделанные с позиций концепции структурированности геосреды, но фактически без учета нелинейности деформирования, в действительности входят в противоречие с принципиальными следствиями упомянутой концепции. Сущность такого противоречия выявлена в работе [22], где изложен возможный сценарий возникновения «“турбулентной”, пространственно-временной структурированности, нетривиально – в одном объеме, одновременно, но на разных масштабных уровнях – сочетающей признаки как упорядоченности, так и хаотичности, непредсказуемости» [там же, с. 22]. Упомянутый сценарий в свою очередь иллюстрирует широко известные фундаментальные выводы о том, что одна и та же система в зависимости от обстоятельств обнаруживает предсказуемое или хаотическое поведение; оба этих типа поведения возможны не только по отдельности, но и одновременно. Разупорядоченность в определенном диапазоне отлично совмещается с упорядоченностью в другом диапазоне [23, 24]. Таким образом, однозначное противопоставление хаотичности и упорядоченности не отвечает современным представлениям о сложном поведении нелинейных систем, одной из которых является самоорганизованно критичная геосреда.
Возможности и ограничения. Таким образом, достижение требуемого качества прогнозов затруднено тем, что: а) сейсмичность проявляется во фрактальной грубо-дискретной среде; б) разрушение развивается от микроуровня к макроуровню; в) раскол любого объема любого ранга непредсказуемо перестраивает условия возникновения последующих разрушений; г) процесс чрезвычайно зависим от малейших изменений начальных условий. Так, в эксперименте модельная структура среды не может быть подобна реальной во всех деталях. Но именно они из-за чрезвычайной зависимости поведения нелинейной системы от начальных условий, задаваемых всегда с некоторой конечной точностью, играют решающую роль в проявлениях неустойчивости и неадекватности экспериментальных результатов.
Прогнозирование землетрясений включает две задачи, удовлетворительные решения которых принципиально взаимно несовместимы. Во-первых, необходимо избежать ложной тревоги, когда предсказанное сильное землетрясение не происходит или оказывается слабым. Задача решаема выявлением соответствующей предвестниковой аномалии с максимально возможным «запасом надежности» – единичной, контрастно выделяющейся на однородном, относительно безопасном фоне. Во-вторых, нужноне пропустить сильное землетрясение, на возможность которого могут указывать предвестниковые аномалии, по своим показателям немного «не дотягивающие» до наиболее надежной, и потому обычно не показываемые вместе с ней. Необходимо «допроявить» окружающий фон, который в действительности, конечно, неоднороден: он сам состоит из аномалий разного размера и интенсивности. Т.е. нужен «запас численности» аномалий, хотя и не самых надежных, но, в зависимости от трудно учитываемых факторов, тоже возможных предвестников сильного землетрясения.
Соответственно, мыслимы два типа ситуаций. В первой из них (рис.2, b) обнаружится множество аномалий, хотя и неодинаковых по размерам и интенсивности, но значимо уступающих по таким признакам единичной наиболее надежной аномалии-предвестнику. Это оправдывает отнесение их к безопасному фону. Место же предстоящего сильного землетрясения прогнозируется вполне определенно. В другой ситуации (рис. 2, c) выявится несколько аномалий, незначимо уступающих размерами и интенсивностью наиболее надежной. При этом, очевидно, снижается вероятность пропуска опасного события, но уменьшается и определенность прогноза, поскольку аномалия-предвестник теперь не единична и неконтрастна на окружающем неоднородном фоне. Ввиду бифуркационности процесса подготовки, его чрезвычайной зависимости от малейших изменений условий и вытекающей из этого пространственно-временной изменчивости наблюдаемой картины, уверенное определение места, силы и времени предстоящего сильного землетрясения маловероятно.
Из двух указанных ситуаций реальна вторая. Она отвечает широко принятой модели грубодискретной фрактальной геосреды и представлениям о детерминированно-хаотическом характере ее самоструктурирования в условиях сильной неравновесности. При этом устойчиво надежные предсказания места, времени и силы конкретных событий с требующейся точностью невозможны. Первая же ситуация – с единичной аномалией-предвестником на однородном фоне – подразумевает квазиоднородность среды, единичный макроразрыв в которой нереален: подготовка к нему непременно включает перестройку исходной структуры с возникновением множества микро- и мезоразрывов.
Таким образом, альтернатива ясна: определенный, но неадекватный прогноз конкретного события на основе нереалистичной модели геосреды или реалистичная модель среды с неизбежной неопределенностью прогноза.
В свете сказанного рассмотрим пример стратегически традиционного, но тактически нового подхода к прогнозированию землетрясений [25]. Его автор признает нелинейность, хаотичность сейсмического процесса, неустойчивость близочаговых изменений геологической среды и, как следствие, малую информативность соответствующих локальных предвестников. Надежды возлагаются на другие, высокоинформативные (достоверность около 90%) дальнодействующие предвестники. Они отражают реакцию геосреды на прохождение низкоскоростных длиннопериодных тектонических волн от созревающих очагов сильных землетрясений, удаленных от сейсмостанций на 10 000 км и более. Зарождение волн связывается сперестройками напряженно-деформированного состояния литосферы и с вязкоупругой реакцией астеносферы. Это проявляется в сейсмогравитационных аномалиях, неприливных вариациях силы тяжести, изменениях гидрогеохимического режима, уровня подземных вод и др. При движении продольнойтектонической волны увеличения и уменьшения массы под станциями вызывают знакопеременные изменения ускорений силы тяжести. Движение поперечной тектонической волны вызывает попеременное увеличение и уменьшение массы с разных сторон от станций, где фиксируются знакопеременные изменения гравитационного поля в двух взаимно перпендикулярных горизонтальных направлениях. Этим объясняются предвестники гравитационного характера, модуляции микросейсмического фона, изменения геохимических характеристик, уровня подземных вод, электрических и магнитных свойств пород. Связь их с конкретными очагами декларируется постфактум – после землетрясений в том или ином удаленном районе. Насколько оправданны связанные с этим надежды?
Логично полагать, что источниками тектонических волн как предвестников, хотя и несколько меньшей интенсивности и дальнодействия, являются потенциальные очаги не только сильных землетрясений, но и форшоков. У них были свои форшоки со своими очагами и исходящими из них тектоническими волнами. Это соответствует представлениям о фундаментальном самоподобии структуры и автомодельности эволюции среды. Другая фундаментальная ее особенность – грубая дискретность, следовательно, неотчетливая распознаваемость сейсмогенных объемов разных рангов. При этом разброс размеров очагов внутри ранга может быть значительным. Неодинаковыми как на разных рангах, так и внутри рангов, должны быть глубинность, форма, плотность размещения, «зрелость», скорости и сроки «созревания» очагов. Все это должно неизбежно и сильно усложнять как общую картину возбуждения и распространения тектонических волн, так и задачу распознавания и интерпретации соответствующих сигналов с необходимой точностью и надежностью как предвестников именно сильных землетрясений, разгружающих в определенные сроки те или иные конкретные очаги.
Все это верно и в отношении тех сейсмоактивных зон, через которые тектонические волны следуют «транзитом» на расстояния в тысячи километров до регистрирующих станций. Эти промежуточные, также сложно устроенные и функционирующие источники возбуждения тектонических волн должны еще более затруднять распознавание и интерпретацию тех элементов волновой картины, которые могли бы рассматриваться как предвестники землетрясений той или иной силы, в том или ином районе, в то или иное время. Неизбежны интерференционные эффекты в проявлениях волн, следующих в разных направлениях в сложно устроенной геосреде. Высокочувствительная аппаратура выдает усложненные отображения волнового поля, затрудняя идентификацию сигналов как результатов определенных процессов в конкретных районах и интерпретацию их как предвестников тех или иных событий.
Усложняет картину и то, что состав и свойства пород, характер геоструктуры, флюидонасыщенность, глубинность, тепловой поток, действуя совместно, изменчиво во времени и пространстве, влияют на характер возникновения и распространения тектонических волн не суммативно, а системно. Интегральный результат должен обладать особыми, непредвидимыми качествами, не вытекающими из свойств каждого фактора в отдельности. Поэтому в регистрируемой волновой картине едва ли можно надежно выявить результаты действия какого-то конкретного фактора.
Все это рождает вопросы о принципах и методах интерпретации регистрируемых данных на столь больших удалениях от мест зарождения тектонических волн, о точности прогнозов землетрясений, получаемых на основе дальнодействующих предвестников, об обоснованности заявлений об их 90% достоверности. Напротив, в свете концепций нелинейной динамики [1] и самоорганизованной критичности [17] нелинейных сильно неравновесных систем мнения о непрогнозируемости землетрясений [26-31] представляются обоснованными.
Заключение. В чем бы ни усматривать признаки приближающегося землетрясения, проблема его надежного предсказания – в характере самогó регистрируемого сигнала. Он, в силу фрактальности и грубой дискретности геосреды, на любой площади и на любом отрезке времени дает не единичную, четко обособленную предвестниковую аномалию, но всегда – некоторое множество разноранговых экстремумов, притом на смежных рангахнеконтрастно различающихся, а внутри рангов – флуктуирующих по амплитудам и длительности.
В настоящее время даже авторы, сообщающие об успехах, в большинстве согласны с тем, что надежный путь к устойчивому прогнозу пока не найден. Но какими должны быть полученные результаты, чтобы обоснованно заявлять о достижении удовлетворительного решения проблемы? Ведь любой эмпирический результат относится к тому, что уже произошло, и ничего не говорит о том, что предстоит.
Только теоретическое обоснование могло бы дать уверенность в прогнозе. Но оно само нуждается в опытной проверке, которая, однако, будет завершена не ранее, чем окончится срок очередного прогноза, т.е. тогда, когда он будет уже не нужен. Только тогда станет ясно, оправдалась ли примененная тактика. Но этот вывод вновь будет характеризовать то, что уже произошло, и ничего не скажет о будущем. «Успешный прогноз» семи-восьми событий из 15 может быть получен «методом» подбрасывания монеты. Если же из 15-ти событий успешно предсказаны 12 или 13, есть ли уверенность, что прогноз следующих 15-ти, а затем и 30-ти событий будет лучше или незначимо хуже? Ни теоретических, ни эмпирических оснований ожидать появления такой уверенности – нет.
Литература
[1] Haken, H. Cooperative Effects in Systems Far from Equilibrium and in Nonphysical Systems // Rev. Mod. Phys. 1975. Vol. 47. P. 67.
[2] Koronovsky, N. V., Naimark, A.A. Earthquake Prediction: Is It a Practicable Scientific Perspective or a Challenge to Science? // Moscow University Geology Bulletin. 2009. Vol. 64, N. 1. P. 10 – 20.
[3] Naimark, A.A. Coarsely Discrete Fractal Structure of Geological Medium and Challenges in Tectonophysical Modeling. Moscow University Geology Bulletin. 2009. Vol. 64. N. 5. P. 273–280.
[4] Садовский М.А., Нерсесов И.Л., Писаренко В.Ф. Иерархическая дискретная структура литосферы и сейсмический процесс // Современная тектоническая активность Земли и сейсмичность. М.: Наука, 1987. С. 182 – 191.
[5] Садовский М.А. Автомодельность геодинамических процессов // Вестн. АН СССР. 1986. № 8. С. 3-11.
[6] Гейликман М.Б., Писаренко В.Ф. О самоподобии в геофизических явлениях // Дискретные свойства геофизической среды / Под ред. М.А. Садовского. М.: Наука. 1989. C. 109-130.
[7] Гейликман М.Б., Голубева Т.В., Писаренко В.Ф. Самоподобная иерархическая структура поля эпицентров землетрясений // Вычислительная сейсмология. 1990. Вып. 23. С. 123-139.
[8] Захаров В.С. Характкристики самоподобия сейсмичности и сетей активных разломов Евразии // ГЕОразрез. Электронное научное издание. Университет «Дубна». 2008. Вып. 1. С. 1-20.
[9] Кейлис-Борок В.И., Кособоков В.Г., Мажкенов С.А. О подобии в пространственном распределении сейсмичности // Вычислительная сейсмология. 1989. Вып. 22. С. 28-40.
[10] Куксенко В.С. Физические причины подобия в выделении упругой энергии при разрушении горных пород на различных масштабных уровнях // Физические основы прогнозирования и разрушения горных пород при землетрясениях. М. Наука. 1987. С. 68-73.
[11] Макаров П.В. Эволюционная природа блочной организации геоматериалов и геосред. Универсальный критерий фрактальной делимости // Геология и геофизика. 2007. Т. 48. № 7. С. 724-746.
[12] Мухамедов В.А. О фрактальных свойствах высокочастотного сейсмического шума и механизмах его генерации // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1992. № 3. С. 39-49.
[13] Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. О свойствах дискретности горных пород // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1982. № 12. С. 3-18.
[14] Стаховский И.Р. Самоподобная сейсмогенерирующая структура земной коры: обзор проблемы и математическая модель // Физика Земли. 2007. № 12. С. 35-47.
[15] Тюпкин Ю.С. Проявление самоподобной структуры сейсмичности в форшоковом и афтершоковом процессах // Вычислительная сейсмология. 2001. Вып. 32. С. 190-201.
[16] Allegre, C.J., Le Mouel J.L., Chau, H.D., Narteau C. Scaling organization of fracture tectonics (SOFT) and earthquake mechanism // Phys. Earth. and Planet. Inter. 1995. Vol. 92. N. 3-4. P. 215-233.
[17] Bak, P., Tang, C. Earthquakes as a self-organized critical phenomena // J. Geophys. Res. 1986. Vol. 94. P. 15635-15637.
[18] Hirata, T. Fractal dimension of fault systems in Japan: fractal structure in rock fracture geometry at various scales // PAGEOPH. 1989. Vol. 131. N. 1-2. P. 157–170.
[19] Hirata, T., Satoh, T., Ito, K. Fractal structure of spatial distribution of microfracturing in rock // Geophys. J. Roj. Astron. Soc. 1987. Vol. 90. N. 2. P. 369–377.
[20] Poulton, M.M., Mojtaba, N., Fabmer, I.W. Scale invariant behavior of massive and fragmented rock // Int. J. Rock Mech. Min. & Geomech. Abstr. 1990. Vol. 27. P. 219–221.
[21] Sornette, A., Davy P., Sornette D. Growth of fractal fault patterns // Phys. Rev. Lett. 1990. Vol. 65, N. 18. P. 2266–2269.
[22] Наймарк А.А. Сценарий возникновения тектонодинамического детерминистского хаоса // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2003. № 5. С. 22–31.
[23] Пригожин И., Стенгерс И. Познание сложного. М.: Мир, 1990.
[24] Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. М.: Прогресс, 1994.
[25] Khalilov, E.N. Global network of forecasting the earthquakes: new technology and new philosophy. London, SWB, 2009, 65 p.
[26] Geller, R.J., Jackson, D.D., Kagan, Y.Y., and Mulargia, F. Eathquakes Cannot Be Predicted // Science. 1997. Vol. 275. P. 1616–1617.
[27] Huang, J. and Turcotte, D.L., Are Earthquakes an Example of Deterministic Chaos? // J. Geophys. Res. 1990. Vol. 17. P. 223–226
[28] Kagan, Y.Y. and Jackson, D.D., Earthquake Prediction: A Sorrowful Tale // AGU West Pacif. Geophys. Meet., Hong Kong (July 25–29). 1994. P. 57–58.
[29] New Model Suggests Quakes are Random // Geotimes. 1993. Vol. 38. N. 2. P. 7.
[30] Olami, Z., Feder, H.J.S., and Christensen, K., Self-Organized Criticality in a Continuous, Nonconservative Cellular Automaton Modeling Eartquakes // Phys. Rev. Lett. 1992. Vol. 68. N. 8. P. 1244–1247.
[31] Pavlos, G.P., Latousakis, J., and Dialotis, D., Looking at a Seismic Event as a Chaotic Deterministic Process // [Pap.] Eur. Geophys. Soc. 16th Gen. Assem. «Atmos., Hydros., and Space Sci.». Wiesbaden (22–26 Apr. 1991). Ann. Geophys. 1991. Vol. 9. P. 538–539.
Дата добавления: 2015-07-25; просмотров: 9549 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Основные виды тестирования производительности | | | Про пожежну безпеку в Збройних Силах України |