О геологической природе техногенных и природных землетрясений в свете японской катастрофы 2011 года
Доклад будет опубликован в журнале Геоiнформатика N 3
Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
май 2011
11 марта 2011 года у Северо-Восточного побережья Японии произошло сильное землетрясение. Был зарегистрирован сейсмотолчок с магнитудой около 9 баллов. Это событие породило другое событие - цунами, более чем 10-метровая волна которого накрыла побережье Японии. Волна цунами нанесла колоссальный урон - погибло более 20 тысяч людей, смыло железнодорожные составы, целые городки, и в аварийном состоянии оказались японские АЭС.
Когда угроза непосредственной опасности отойдет на второй план, придет время глубокого и полного анализа всего, что случилось. Сейчас же будет не лишним добавить некоторые факты и аргументы к общей картине.
Что касается цунами, то это явление, по-видимому, не подлежит воздействию с помощью современных человеческих возможностей. Хотя я не сомневаюсь, что в дальнейшем, наиболее ответственные сооружения, подверженные влиянию со стороны возможного цунами, будут окружены еще более мощными и прочными насыпями. А вот насчет землетрясений - то здесь есть предмет для размышления.
Если посмотреть на фотографии городов, пострадавших от землетрясений, то можно отметить, что даже в случае самых сильных разрушений обязательно какое-то количество домов остаются целыми. Так, в Гюмри (Ленинакане), пострадавшем от землетрясения в 1988 году, среди множества разрушенных домов уцелело довольно много домов самой обычной конструкции и архитектуры. Следы этого землетрясения не ликвидированы и по сей день, и в городе можно увидеть дома, часть которых находится в полностью разрушенном состоянии, а часть - без единой трещины, и там живут люди. С позиций существующих представлений о физике землетрясений, это необъяснимо.
Согласно существующим гипотезам, землетрясение - это как бы средство высвобождения некоей энергии, накопившейся в земной толще. Но тогда плотность этой гипотетической энергии должна быть примерно одинаковой в пределах центральной зоны землетрясения, и такие вот непострадавшие островки были бы просто немыслимы.
Однако прежде, чем рассматривать механизм природного землетрясения, необходимо объяснить суть землетрясения техногенного.
Разобраться с физикой одной из разновидностей техногенного землетрясения - резонансного разрушения - удалось сравнительно недавно.
В 1977 году было обнаружено, что реакция породного слоя на ударное воздействие (сейсмосигнал) представляет собой гармонический (синусоидальный) затухающий процесс. Само по себе, это - однозначный признак того, что породный слой является колебательной системой [1].
Буквально сразу же после этого было обнаружено, что колебательными системами в слоистой земной толще являются породные слои, и толщина (мощность) породного слоя h связана с частотой f0 возникающего в результате удара синусоидального сигнала следующим образом:
f0 = k / h, где (1)
k - коэффициент с размерностью скорости. Этот коэффициент оказался равным 2500м/с (с погрешностью, не превышающей 10%) для всех горных пород.
То есть, по сути, спектр сейсмосигнала оказался однозначно связанным с геологическим строением.
Выявленная зависимость с самого начала использовалась для получения информации о строении земной толщи. Зависимость (1) оказалась справедливой для всех залегающих в Земле геологических структур. Как простых, так и составных. От долей метра и до диаметра нашей планеты.
На основании этого физического эффекта был разработан новый геофизический метод - спектральная сейсморазведка. Этот метод известен как ССП (спектрально-сейсморазведочное профилирование). Особенностью этого метода является то, что источником геологической информации является частотный спектр сейсмосигнала.
Обнаруженный физический эффект показал, что земная толща, а в пределе, вся наша планета, есть не что иное, как совокупность колебательных систем. Этот вывод имеет фундаментальное значение для человечества в целом, так как логика развития цивилизации в условиях земной толщи как совокупности колебательных систем радикально отличается от того, что было бы, если бы земная толща не содержала (как всегда и предполагалось) колебательных систем.
К сожалению, колебательные системы, хорошо разработанные в электротехнике и радиофизике, очень слабо воспринимаются в механике. Для строителей знание колебательных систем ограничено тем мостом, который рухнул в результате прохода по нему строя солдат. Ритм солдатского шага совпал с собственной частотой одной из колебательных систем, входящих в состав мостовой конструкции. При этом возник резонанс, в результате чего стала увеличиваться амплитуда колебаний моста. Дойдя до какого-то предельного значения амплитуды, эти колебания разрушили мост.
Все колебательные системы описываются одинаково, будь то электрический колебательный контур, камертон, маятник или обычные качели. Как уже было сказано, наличие колебательной системы определяется очень просто. Если некий объект реагирует на ударное воздействие затухающим гармоническим процессом, значит, этот объект есть не что иное, как колебательная система. Именно на основе этого признака был открыт лордом Кельвином электрический колебательный контур.
Явление резонанса неразрывно связано с колебательной системой. При совпадении частоты внешнего воздействия с собственной частотой колебательной системы амплитуда внешнего воздействия начинает возрастать, и стремится увеличиться в Q раз, где Q - добротность колебательной системы. Добротность колебательной системы Q тем больше, чем медленнее затухание гармонического сигнала, возникшего в результате ударного воздействия. Значения Q находятся в весьма широких пределах: от Q=1, когда колебательная система отсутствует, и до нескольких тысяч (камертон).
Для примера, обычный электрический колебательный контур имеет величину Q, равную 100÷200. То есть, при подаче на контур переменного напряжения с частотой контура, амплитудой, скажем, 10в, мы с контура снимем за счет резонанса 1÷2кв. Допустим, что конденсатор этого контура выдерживает не более 100в. Тогда рост переменного напряжения при развитии резонанса не дойдет до киловольтной величины, поскольку пробой наступит уже при достижении 100в. Пока это явление не осознали (в конце XIX века), разного рода пробоев, пожаров и прочих аварий при использовании электрических устройств было очень много.
Тот факт, что земная толща представляет собой совокупность колебательных систем, имеет своим следствием то, что при установке на грунт вибрирующего устройства возможно возникновение резонансных явлений. Здесь уместно вспомнить известный учебный тест: «если рост амплитуды колебаний прекращается мгновенным разрушением, то, следовательно, имеет место резонансное разрушение».
Обратимся к аварии на Саяно-Шушенской ГЭС [2]. Самописцы, измеряющие амплитуду вибрации в фундаменте 2-го гидроагрегата, зарегистрировали рост вибрации. Амплитуда вибрации увеличилась в 600 (!) раз относительно начального уровня, после чего агрегат сорвало со стопоров.
Случай хрестоматийный, но почему же мы не слышим при разборе причин аварии слово «резонанс»? Дело в том, что если это слово прозвучит, то неизбежен вопрос - а где колебательная система? Ведь без наличия колебательной системы резонанса быть не может, а согласно общепринятой, современной парадигме, земная толща по акустическим характеристикам представляет собой не совокупность колебательных систем, а совокупность отражающих границ.
Таким образом, до тех пор, пока то, что называется научной общественностью, не соблаговолит согласиться с тем, что земная толща представляет собой совокупность колебательных систем, техногенные землетрясения (а резонансное разрушение является техногенным землетрясением) будут продолжаться, и даже учащаться по мере наращивания количества энергетических установок [3].
Чтобы понять, насколько актуальна проблема резонансного разрушения, рассмотрим следующие примеры.
15 июня 2006 в Японии произошла экстренная остановка ядерного ректора на АЭС "Хамаока". (Префектура Шизуока в центральной части Японии, 160 километров от Токио). Была зафиксирована чрезмерная вибрация турбины пятого реактора станции, после чего он был автоматически отключен. Ряд лопаток турбины оказались полностью разрушены. Причины вибрации неизвестны, однако выброса радиоактивных элементов не произошло. [4]
В рабочем режиме никаких резонансных явлений быть не может, а вот при изменении частоты вибрации (скорости вращения), возможно случайное попадание в резонанс. В паспорте каждой турбины есть перечень запрещенных скоростей вращения. Это экспериментально выявленные скорости, на которых возникает вибрация. Если запрещенных скоростей несколько, то это значит, что имеет место несколько колебательных систем в фундаменте турбины (в том числе, и в земной толще). Как правило, эти колебательные системы различаются по добротности. При первом разгоне мы проходим несколько резонансов, и особо быстро при этом следует проскакивать через высокодобротные составляющие. Гидроагрегат N2 Саяно-Шушенской ГЭС при остановке (при замедлении вращения) не проскочил высокодобротную составляющую с достаточно высокой скоростью, и в результате, успел развиться резонанс.
26 апреля 1986 года на 4-м блоке ЧАЭС начали изменять режим работы и при этом из-за изменения скорости вращения турбины попали в резонанс. Возникшая вибрация стала увеличиваться по амплитуде. Увеличение амплитуды вибрации было колоссальным. Люди в машинном зале, которые не впали в столбняк от ужаса (сильная вибрация именно такое воздействие оказывает на наш мозг), в панике покинули машинный зал. Рост вибрации оборвался взрывоподобным разрушением, и только через 30 секунд после этого взорвался реактор. Сейсмологи всего Мира зарегистрировали два толчка с разницей во времени в 30 секунд. Центр толчков оказался под 4-м блоком ЧАЭС.
Теперь посмотрим еще одно свидетельство.
«Прямо под АЭС "Фукусима-1" 13-го марта 2011 года произошло новое землетрясение. Обрушилась крыша и внешняя стена. Сразу после этого на АЭС произошёл взрыв (его причины пока не ясны) и выброс радиации." [5]. Представляется, что такая картина свойственна последствиям не природного землетрясения, а скорее техногенного. Слишком уж оно локально. Кроме того, непосредственно под этим реактором в земле образовалось отверстие, в которое уходит радиоактивная вода. Образование такого вот отверстия в земле также является признаком резонансного разрушения.
К сожалению, у нас пока нет информации о том, что этому обрушению предшествовал рост амплитуды вибрации, но по логике, так должно было быть.
В общем, очень похоже на то, что японская энергетика пострадала не от природного, а от техногенного землетрясения в виде резонансного разрушения.
Вероятность техногенных землетрясений резко возрастает при установке вибрирующих устройств в зонах тектонических нарушений.
При исследовании земной толщи методом ССП оказалось, что этот метод позволяет выявлять такой геологический объект как зоны тектонических нарушений (ЗТН). Здесь необходимо дать некоторые пояснения. Дело в том, что, несмотря на то, что наука о тектонических нарушениях насчитывает много лет и представлена большим объемом научной и учебной литературы, единственным аппаратурным методом, позволяющим выявлять ЗТН, была до сих пор радоновая съемка. Однако с помощью радоновой съемки оказалось невозможно обнаружить целый ряд свойств ЗТН, которые позволил выявить метод ССП. [6]
Одним из свойств является то, что геологические структуры, залегающие в ЗТН, проявляют свойства колебательных систем с повышенными значениями добротности. Следовательно, ЗТН для установок, оказывающих на грунт вибрационное воздействие, являются зонами повышенного риска резонансного разрушения. И более того, резонансные разрушения происходят именно в ЗТН.
В ЗТН разрушаются не только вибрирующие, но ВСЕ оказавшиеся там сооружения, и даже сам грунт (горные породы). Разрушителем всего, что находится в ЗТН, служит явление, которое давно и хорошо известно геодезистам - это планетарная пульсация. Геодезисты давно заметили, что на Земле есть зоны, в которых точность геодезических измерений падает в десятки раз. Так, если с помощью современной аппаратуры космической геодезии возможно определить местонахождение объекта с абсолютной погрешностью порядка миллиметра, то в ЗТН эта погрешность может возрасти до 10см. Это обусловлено тем, что именно такого значения может достигать амплитуда планетарной пульсации. Несмотря на большую амплитуду, это явление нельзя увидеть невооруженным глазом, так как период колебаний планетарной пульсации очень велик. Период этих колебаний - минуты.
Как показали специальные исследования, планетарная пульсация имеет место только в ЗТН. Сама по себе, планетарная пульсация является процессом принципиально нестационарным. Может оказаться так, что зафиксированная однажды, она на следующий день отсутствует, а через день в том же месте появится вновь, но с другой частотой и с другой амплитудой.
Разрушение инженерных сооружений под влиянием этого фактора предельно понятно и логично. В самом деле, если часть фундамента оказалась в ЗТН, а часть - в условиях неподвижного грунта, то на границе между этими двумя участками фундамент будет испытывать изгибные знакопеременные напряжения, и разрушение его будет неизбежно. Кроме того, сооружение, оказавшееся в ЗТН, под воздействием планетарной пульсации раскачивается, что приводит к выходу балок из пазов и к обрушению крыш и перекрытий.
Скорость разрушения инженерных сооружений, оказавшихся в ЗТН, резко увеличивается при наличии динамической (вибрационной) составляющей в воздействии этих сооружений на грунт, и разрушение может стать взрывоподобным при возникновении резонансных явлений.
Тектонические нарушения в земной толще так или иначе связаны друг с другом. Этим объясняется то, что если экологически опасный продукт попадает в грунт в ЗТН, то со временем он может проявиться на значительных от этого места расстояниях. Именно это мы и наблюдаем в случае с Фукусимой. Радиоактивная вода, попавшая в отверстие, образовавшееся в результате резонансного землетрясения, обнаруживается в океане, на удалении от этой АЭС.
Свойства ЗТН проявляются в связи с аварией ЧАЭС также и много лет спустя после этой аварии. Это проявляется в неуклонном уходе в землю останков 4-го блока вместе с возведенным над ним саркофагом, а также в том, что сам саркофаг, объявленный в свое время самым прочным на Земле сооружением, сокрушительно разрушается.
В связи с этим, совершенно бессмысленным является объявленное сейчас возведение нового, еще более прочного саркофага. Противостоять разрушительному воздействию планетарной пульсации в ЗТН человек на современном уровне развития не может, и эта проблема должна решаться иначе, причем, естественно, с учетом реальных свойств ЗТН.
Теперь что касается природных землетрясений.
Как отмечают сейсмологи, перед землетрясениями имеют место некие низкочастотные колебания, амплитуда которых к моменту сейсмособытия возрастает, а в момент толчка падает до нуля. Но тогда получается, что и природное землетрясение есть не что иное, как резонансное разрушение. Сейчас, когда уже известно, что земная толща - это совокупность колебательных систем, этим самым выполняется одно из условий формирования резонанса. Необходимым для формирования резонанса внешним колебательным воздействием является планетарная пульсация.
При случайном совпадении периода планетарной пульсации с собственным периодом залегающей в земной толще колебательной системы, там, где присутствует эта пульсация, начинается рост амплитуды колебаний. Если частота планетарной пульсации в течение некоторого времени неизменна, то амплитуда может увеличиться до значения, при котором происходит разрушение горных пород. Это разрушение будет воспринято как сейсмотолчок.
Если после этого частота планетарной пульсации изменится, то повторных толчков не будет. А если она останется постоянной, то толчки будут продолжаться. Для примера, в Спитаке толчки продолжались после землетрясения 1988-го года более полутора лет.
Тот факт, что при любом землетрясении остаются неразрушенными отдельные сооружения, свидетельствует о том, что крупная зона тектонического нарушения, в которой возникло землетрясение, является не единым объектом, а проявляется фрагментарно, т.е. содержит как бы островки неподвижной поверхности среди колеблющегося пространства.
На ССП-разрезе зоны тектонических нарушений (ЗТН) имеют вид V-образных (воронкообразных) объектов, и на рис.1 показан разрез, где на профиле длиной 790 метров прорисовались три ЗТН. Между этими зонами расположены небольшие участки профиля, характеризующиеся спокойным характером. Это зоны с неподвижным грунтом. То есть, если бы здесь располагалась сейсмоопасная зона, то можно было бы твердо сказать, что сооружения, оказавшиеся в этих промежутках между ЗТН, во время землетрясения не разрушатся.
Рис. 1
ССП-разрез, приведенный на рис.1, получен при профилировании в пос. Ольгино, СПб, где находятся очистные сооружения. В районе ЗТН-3 находится насосная станция очистных сооружений, где происходят постоянные резонансные разрушения. Кроме того, в пос. Ольгино находится Северо-Западная ТЭЦ, которая должна заменить собой ЛАЭС. Однако есть основания полагать, что в машинных залах этой ТЭЦ также идут серьезные разрушения.
Сейчас представляется совершенно очевидным, что со временем, когда выявление ЗТН станет обязательным на предпроектной стадии строительства, техногенные землетрясения в виде резонансного разрушения уйдут в историю.
Развитие нашей цивилизации предполагает увеличение энергооснащенности Земли. Это возможно при соблюдении условия повышения надежности энергоустановок с увеличением их количества. Для этого необходимо обеспечить уменьшение техногенных катастроф в виде техногенных землетрясений. Необходимо отметить, что опасность от техногенных землетрясений значительно выше, чем от природных. Природные землетрясения происходят редко, и еще более редко эпицентр их находится в зонах промышленных центров. Техногенные же землетрясения происходят очень часто, и всегда поражают именно центры энергетики.
Возникновение представлений о нашей планете как о совокупности колебательных систем, а также изучение зон тектонических нарушений как зон риска для инженерных сооружений позволяет подойти к решению проблемы прогнозирования природных землетрясений и уменьшения их аварийных последствий.
Путь к прогнозированию природных землетрясений представляется как содержащий два этапа:
1-й этап - долгосрочное прогнозирование, заключающееся в картировании ЗТН и изучении изменяющихся параметров планетарной пульсации;
2-й этап - оперативное прогнозирование, заключающееся в регистрации факта увеличения амплитуды планетарной пульсации в зонах тектонических нарушений.
Возможность реализации этого пути - в использовании космических измерительных технологий.
