Диагностика землетрясений

                © Владимир Ерашов

          Роль воды в происхождении землетрясений была открыта случайно. В Денвере (США) начиная с 1962г в скважину 3600м,пробуренную в трещиноватых гранитах стали накачивать воду в целях утилизации. За 80лет до 1962г в этом районе было отмечено лишь три слабых сотрясения грунта, а с 1962г по 1968г здесь наблюдалось 610(!) мелких землетрясений. К счастью Денвер район асейсмический, причины сотрясений грунта были быстро определены и закачивание в породы отработанных жидкостей прекратили. Накоплено также много данных о том, что строительство водохранилищ ведет к увеличению сейсмичности данного района. Вот только один пример: водохранилище Койна вблизи Бомбея было заполнено в 1967г,после чего последовало множество землетрясений, во время одного из них, магнитуда которого достигала 6,5 были разрушены дома и имелись человеческие жертвы. Еще одно обстоятельство свидетельствует о том, что грунтовые воды при возникновении землетрясений играют очень важную роль: давно замечено, что уровень грунтовых вод перед землетрясением часто растет. Как же с теоретической точки зрения все эти явления можно объяснить? О напряжениях в земной коре на разломе тектонических плит хорошо известно, но мало чего известно о том, при какой величине этих напряжений происходят землетрясения. Является ли она более менее стабильной либо от чего то сильно зависит, если зависит, то от чего? Попытаемся дать ответ на эти вопросы. Из механики известно, чтобы сдвинуть два соприкасающихся тела друг относительно друга нужно приложить силу, величина которой прямопрапорциональна нормальному давлению и коэффициенту трения. Маленькая справка. Трение бывает трех видов: 1.Сухое трение. 2.Смешенное трение(пограничное). 3.Жидкостное трение. Сухое трение имеет очень высокие коэффициенты трения, в десятки и сотни раз выше чем при жидкостном .Особый интерес представляет смешанное трение, оно характерно тем, что сильно зависит от многих факторов, при малейшем изменении даже отдельных из них коэффициент трения резко меняет свою величину. Опираясь на выше изложенные выкладки применительно к землетрясениям, можно с уверенностью заявить: сдвиг участков земной коры(землетрясение) в том или ином месте Земного шара зависит не только от напряжений, там возникающих, но и от коэффициента трения между плитами. А это в свою очередь определяется наличием и количеством смазки(в данном случае роль смазки выполняет вода) в зоне сдвига .Эти выводы заставляют нас еще более внимательно посмотреть и разобраться с тем ,количество грунтовых вод в зоне разлома является ли величиной постоянной или тоже от чего-то зависит. Те же примеры с водохранилищами указывают на то, что уровень поверхностных вод влияет на содержание глубинных грунтовых вод .Любое увеличение поверхностных вод влечет за собой и постепенное нарастание содержания глубинных вод. Это заключение влечет за собой еще один интересный вывод: землетрясения в том или ином месте Земного шара становятся вероятнее в сезон с максимальным количеством осадков ,особенно если этому сезону предшествовал засушливый сезон .Только не надо этот вывод истолковывать так: наступил мокрый сезон и посыпались землетрясения .Чтобы поверхностным водам проникнуть в глубь и достигнуть эпицентра будущего землетрясения ,где уже все готово к толчку, не хватает только самой малости(вот этой дополнительной порции грунтовых вод),нужно время .Пока волна повышенного давления грунтовых вод катится в низ на поверхности Земли уже мокрый сезон может смениться сухим .Поэтому сейчас мы с уверенностью можем заявить только следующее: прокатилась волна наводнений по сейсмически опасной местности -жди землетрясений ,но чтобы точнее знать когда этот фактор сработает нужно знать скорость распространения гидравлических грунтовых волн и на какой глубине находится предполагаемый эпицентр землетрясения. Как видим нужны дополнительные исследования. Но то что мы с вами поняли как может влиять фактор колебания уровня поверхностных вод на механизм возникновения землетрясений тоже дорогого стоит. Далее рассмотрим следующий фактор влияния грунтовых вод на провоцирование  землетрясений. Американские  ученые проводили исследования грунтов из зоны разлома и установили, что при сдавливании образцов начиная с каких-то напряжений их объем увеличивается. Что же происходит в образце при этих напряжениях? Я полагаю что наступает момент водонасыщения. Известно, что в гранитах, которые составляют львиную долю верхних слоев земной коры материков имеется масса микротрещин и пустот которые хотя бы частично заполняет грунтовая вода. При сдавливании образца количество микротрещин растет, но их суммарный объем сокращается, количество грунтовых вод в образце не меняется (вода не втекает и не вытекает),тогда должен наступить такой момент, когда вода заполнит все доступные ей микротрещины, но процесс сдавливания продолжается, появляются все новые микротрещины, а среди них всегда находятся такие, размер которых очень мал, и вода их заполнить не может, следовательно дальше либо размер образца должен увеличиваться (что и заметили американские ученые),либо из образца должна выдавливаться лишняя вода. Тогда возникает вопрос: почему американские ученые о выдавливании воды ничего не говорят, значит они не заметили этот процесс? Вполне возможно, дело в том что для выдавливания воды из микротрещин требуется  вполне определенное время, т. е. сдавливание образца должно быть очень медленным, а если сдавливание в таком режиме не проводили, то и никакого выдавливания воды не заметили.  А важно ли это выдавливание? Стоит ломать копья? Да, очень важно, представим себе сейсмоопасный разлом, напряжения сдвига в нем потихоньку растут, но грунтовых вод в разломе не достаточно, чтобы обеспечить жидкостное трение, до каких-то подвижек грунта еще очень далеко, но вот в какой-то случайной точке они достигли величины при которой объем стремится увеличиться, но так как свободного места нет, то он начинает выдавливать из себя лишнюю воду, провоцируя  аналогичную ситуацию в соседних точках. Мокрое пятно, как экзема, начинает разрастаться. Обратим внимание читателей на то обстоятельство, что внутри пятна трение жидкостное, потому что в этом объеме все микротрещины(за исключением самых мелких)заполнены водой до отказа. Следовательно внутри пятна тангенциальные напряжения снимаются(как бы сдвиг уже пошел),а нормальные остаются. Если до появления мокрого пятна  смещению плит относительно друг друга препятствовало вся площадь контакта, то после от всей площади нужно вычесть площадь мокрого пятна(жидкостное трение вывело эту площадь из противостояния сдвигу), следовательно на оставшейся площади тангенциальные напряжения возрастут. Если мокрое пятно займет половину площади контакта, то на  оставшейся  половине тангенциальные напряжения вырастут в два раза. А что будет если мокрое пятно выйдет на поверхность? По всей видимости, вырастет уровень грунтовых вод! Вот это то явление и отмечалось многими наблюдателями, как  скорый предвестник землетрясения. А мы установили причину, почему это так. Нужно только отметить, что если эпицентр мокрого пятна глубоко, то землетрясение может наступить раньше, чем пятно выйдет на поверхность. В этом варианте уровень грунтовых вод не сможет предупредить нас о грядущем землетрясении. Надежнее в сейсмоопасном районе пробурить скважину на глубину в несколько километров и из нее постоянно откачивать всю поступающую воду, замеряя расход. Увеличение расхода будет предупреждать о приближающемся землетрясении.                Грунтовые воды в микротрещинах и пустотах пород, слагающих земную кору не единственный их источник для коры. Вода также содержится в кристаллической решетке многих минералов, составляющих весомый процент от состава всей коры. Она с ростом температуры и давления может переходить из связанного состояния в свободное, т.е. пополнять обычные грунтовые воды. А это также должно способствовать развитию зон жидкостного трения в разломе. И наконец третий источник образования и развития зон жидкостного трения в сейсмическом разломе- это глины. Хорошо известны такие свойства глины, как способность к разбуханию, т .е. накапливать в себе большие количества воды. Известно также свойство глины течь под даже малыми тангенциальными нагрузками. Следовательно глина в разломе –это уже изначально зона жидкостного трения. А при больших напряжениях глина, по всей видимости также выдавливает из себя избыток воды в соседние зоны. Обобщая наши рассуждения, выделим три стадии развития землетрясения: 1. Подготовительный этап. Напряжения в разломе растут только под действием внешних факторов. Соотношение площадей жидкостного и сухого трения не меняется. 2. Кризисный этап. Соотношение площадей жидкостного и сухого трения в разломе начинает меняться в пользу первого В зонах сухого трения рост напряжений ускоряется за счет внутреннего перераспределения. 3. Срыв. Ведет отсчет от первого сейсмического толчка. Далее, еще один вывод напрашивается сам собой, чем большую площадь в разломе занимают глины, тем при более низких тангенциальных напряжениях наступает срыв. Глины, как никакая другая порода ,способны разбухать ,т.е. накапливать воду. Но воду глины накапливают до определенных напряжений, будем называть эти напряжения критическими, выше которых глины выдавливают воду из себя, тем самым расширяют зону жидкостного трения. В лабораторных условиях гранитные породы разрушаются при напряжениях порядка 1000 атм., но в природных условиях землетрясения происходят при напряжениях на порядок ниже. Не последнюю роль в этом, по всей видимости, играют глины, тем самым как бы подтверждается наша точка зрения. При переходе процесса созревания землетрясения в кризисный этап, интенсифицируется перемещение грунтовых вод в зоне разлома, из одних зон она выдавливается,  другими поглощается, о изменении уровня грунтовых вод в такие моменты мы уже говорили, теперь посмотрим как подобный процесс может сказаться на выделении из разлома газа радона. Известно, что радоном обогащены более глубинные слои Земли, в разлом он может попасть вместе с глубинными водами при подготовительном этапе подготовки землетрясения, когда идет процесс ее накопления, в том числе и из глубин, при переходе развития  землетрясения  в кризисный этап, как мы уже отметили, интенсифицируется перемещение грунтовых вод, что должно также способствовать и доставке радона из глубин ближе к поверхности, а значит и его выделению. Гранитные породы имеют значительно более высокое электрическое сопротивление, чем грунтовые воды. Обогащение разлома грунтовыми водами должно вести к снижению электрического сопротивления грунтов в этом районе, что часто и наблюдается перед землетрясением. Известно, что вода имеет более низкую скорость распространения продольных сейсмических волн, чем гранитные породы, значит обогащение разлома грунтовыми водами ведет также к снижению скорости продольных сейсмических волн. Хотя такой процесс имеет место быть, но на скорость распространения  продольных сейсмических волн, по всей видимости, больше влияет процесс образования микротрещин, которые в силу ряда причин заполняются грунтовыми водами с большим опозданием. Отметим другую особенность воды –она совсем не передает поперечные сейсмические волны. А вот эта особенность в современной практике предсказания землетрясений почти не используется. Если же следовать нашей логике, то этот инструмент может оказаться очень действенным. Поэтому, по нашим соображениям, его очень целесообразно развивать в будущем, что позволит этой работе внести свой вклад не только в теорию но и в практику предсказания землетрясений.