Повысить качество прогнозов. Математическое моделирование поможет предсказывать землетрясения

Ученые применили математическое моделирование для оценки напряженности Земли в районе подводного желоба Нанкай, расположенного вблизи Японии. Полученные результаты хорошо согласовались с данными бурения в этом районе и анализом его сейсмичности. В дальнейшем ученые могут применить эти данные для прогноза землетрясений. Исследования российских специалистов опубликованы в журнале Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 

Человеческие возможности по прямому изучению недр Земли ограничены. Например, важной задачей является оценка напряженно-деформированного состояния недр. То есть необходимо понимать, какие силы, в частности, тектонические, действуют на глубинах нескольких километров, как распределяются нагрузки в породах, приводят ли они к сжатию и растяжению пород и так далее. Однако напрямую измерить эти силы на больших глубинах невозможно: в лучшем случае можно судить об этих процессах по косвенным признакам. 

При этом существуют две принципиальных возможности оценить состояние массива горных пород на глубине больше нескольких сотен метров. Во-первых, можно наблюдать за землетрясениями и, исходя из этих наблюдений, судить о том, какие силы вызвали это землетрясение. Во-вторых, можно непосредственно пробурить в какой-то точке скважину. В обоих случаях оценка точечная — мы можем говорить о состоянии среды в отдельной области, где произошло землетрясение, и/или в окрестности скважины. Остается вопрос, как оценить состояние среды между точками наблюдения за землетрясением или местом бурения земной поверхности?

Ученые из Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН (Москва) и Московского физико-технического института использовали математический аппарат (специальные программы) собственной разработки для реконструкции пространственных ориентаций осей тектонических напряжений в любой точке области, где производились точечные измерения этих ориентаций. Это позволяет судить о направлении сил, действующих в недрах, и может быть использовано для оценки сейсмической опасносности исследуемого региона. Свою работу ученые провели на примере подводного желоба Нанкай (Япония), где есть реальная угроза возникновения большого землетрясения. Для моделирования специалисты использовали данные бурения и мировой карты напряжений земной коры, находящиеся в открытом доступе.

Представьте себе, что вам нужно изучить, как распространяется в пространстве какая-то физическая величина, например, направление действия силы. Это направление может меняться, но подчиняется набору основных физических законов. При этом у вас есть оценки направления силы в нескольких точках, разнесенных в пространстве. В принципе, вы можете подобрать такое правило изменения направления силы в пространстве, что все точечные измерения идеально лягут на ваше правило. Но совершенно необязательно такой результат будет физичным — полученные направления могут не удовлетворять базовым законам физики. Однако оказывается, что можно использовать сами законы физики, чтобы узнать направления действия напряжений (по-научному — траектории главных напряжений) в определенной области. Этим мы и воспользовались в своей работе.
* Никита Дубиня, ведущий научный сотрудник лаборатории скважинной, инженерной и разведочной геофизики МФТИ, ведущий научный сотрудник Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

В результате ученые восстановили картину напряженного состояния Земли в достаточно большом регионе желоба Нанкай. Новые данные могут быть использованы для того, чтобы выделить наиболее опасные зоны желоба, по которым может произойти проскальзывание, приводящее к крупному землетрясению. Несмотря на то, что специалисты не проводили непосредственно оценку сейсмической опасности, их данные напрямую могут быть использованы для решения этой задачи. Важно отметить, что полученные результаты и оценка напряжения земной коры в районе желоба Нанкай, выполненная и по данным мировой карты напряжений, и скважинным исследованиям, очень хорошо согласуются друг с другом.

Наши результаты несколько шире, чем уже имеющиеся работы по желобу Нанкай, поскольку позволяют оценить состояние региона там, где нет исходных данных для классических оценок. При этом в тех местах, в которых наши данные перекрываются с уже опубликованными оценками, совпадение очень хорошее. Это позволяет верифицировать результаты работы и утверждать, что нашим оценкам действительно можно верить.
* Никита Дубиня

Проведенные исследования повышают качество прогноза землетрясений. У них есть хороший потенциал стать частью большой программы по дальнейшему исследованию региона. Тем более ученые могут не ограничиваться только районом желоба Нанкай, поскольку методы интерпретации геофизических данных для изучения напряженного состояния горных пород позволяют снизить неопределенности, возникающие при планировании и оптимизации освоения и разработки месторождений полезных ископаемых, подземном захоронении различных веществ, прогнозе геологических катастроф и других задач. В дальнейшем ученые планируют развивать методы оценки напряженного состояния геологических сред и применять их в различных регионах России и мира, особенно в сейсмоопасных районах и на месторождениях полезных ископаемых.

Центр научной коммуникации МФТИ
Источник изображения