Взгляд из космоса в глубь Земли
Завлабораторией в Институте физики Земли Валентин Михайлов рассказал, как ученые получают ранее недоступные данные о происходящем на Земле благодаря космическим спутникам
Москва. 28 марта. INTERFAX.RU - Космонавтика и использование космической техники прочно вошли в нашу жизнь. Об одном из таких направлений наш специальный корреспондент Вячеслав Терехов беседует с членом-корреспондентом Российской академии наук по отделению "Наука о земле", заведующим лабораторией в Институте физики Земли имени Отто Юльевича Шмидта Валентином Михайловым.
Определить землетрясение со спутника: да, нет, возможно – что выбираем?
Корр:.Если посмотреть статьи на тему о возможности со спутников прогнозировать землетрясение, то складывается интересная картина: одни говорят, что это вообще невозможно, другие, что с помощью GPS можно, но техника еще слабо развита для этого, третьи считают, что по смещениям Земли со спутников можно все определять, и даже предсказать землетрясения, но не раньше, чем за два часа. То есть практически три направления разных. К какому вы принадлежите?
Михайлов: В принципе в вопросе прогноза землетрясений определенный прогресс есть, но на самом деле землетрясения, строго говоря, надежно пока никто не предсказывает, и такой технологии, чтобы можно было это сделать, не существует.
Что значит предсказать землетрясение? Для этого вы должны ответить на три вопроса: где, когда и с какой силой, какая будет магнитуда. Вот этого, по моему мнению, не может сделать никто.
Корр.: Но следить со спутников за состоянием Земли можно?
Михайлов: Не только можно, но и нужно. Таким спутниковым мониторингом и занимается наша лаборатория.
Вообще спутниковые методы очень широко используются в геологии, в геофизике. Началось все естественно с оптических снимков. По ним многое можно увидеть, и не только изменения ландшафтов, но, например, выявить современные и древние разломы.
Однако оптические снимки имеют один большой минус: они могут быть получены только при дневном освещении и при отсутствии облачности. Тогда решили не пассивно регистрировать отраженные лучи, а с помощью радиолокатора посылать электромагнитное излучение к Земле, получать отражение от нее и независимо от времени суток и состояния облачности сделать мониторинг непрерывным.
Специальные радиолокаторы создали, и научная мысль двинулась дальше. Фаза спутникового сигнала, который отразился от Земли и вернулся на спутник, характеризует расстояние от поверхности Земли до спутника. Анализ фазы отраженных сигналов на двух снимках позволяет построить цифровую модель рельефа не только определенного района, но и всей поверхности Земли в целом. Раньше на построение карт рельефа с помощью теодолита и нивелира уходили годы!
Так были построены глобальные цифровые модели рельефа. Но мысль пошла дальше: сделали повторную съемку одного и того же участка местности и удалили фазовый сдвиг, связанный с рельефом. Но фазы сигналов при повторной съемке опять не совпали. Это связано с изменением условий прохождения сигнала через атмосферу, некоторыми другими факторами, но главное в том, что отражающий объект сместился за время между повторными съемками. В результате по разности фаз отраженных сигналов на последовательных спутниковых снимках, после соответствующих поправок за рельеф, атмосферу и др. факторы, стало возможным оценить малые смещения земной поверхности на больших территориях. Это чрезвычайно интересный и важный для дальнейших исследований результат. Этот метод называется спутниковая радарная интерферометрия.
Тектонические сдвиги – взгляд из космоса!
Корр.: Я правильно понял, что тектонические сдвиги можно определить с помощью спутника, из космоса? Тогда это и есть предсказание возможного землетрясения?
Михайлов: Нет, не совсем так. Смещение не всегда вызывает землетрясение. Пойдем от обратного: у вас уже произошло землетрясение. Если взять спутниковый радиолокационный снимок до него и после, то можно построить карту смещений на район землетрясения. Многие это сделали в прошлом году после землетрясения в Турции. Использовали снимки со спутника до и после трагедии и по ним получили карту смещения в центральной Турции, примерно 100х100 км, с точностью до сантиметра.
Корр.: Но это уже после землетрясения! А можно ли зарегистрировать начало смещения по разлому?
Михайлов: Вы получили карту, на которой точно видно, как прошли разломы. Она показывает, какая часть разломов вскрыта, а какая осталась целой.
Но не все так однозначно! У нас с американскими коллегами было разное мнение в отношении прогнозов на дальнейшие события. Это объясняется разницей в определении разрывов: у коллег разрыв землетрясения 6 февраля 2023 г. не дошел до разрыва землетрясения, которое произошло севернее 24 января 2020 г. И они пришли к выводу, что в этом месте вероятнее всего будет еще одно землетрясение с магнитудой в шесть баллов.
На нашей карте пробела не было. У нас длиннее получился разрыв, он перекрылся с разрывом 2020 г., и здесь соответственно землетрясения ждать не надо. И мы сказали: здесь нет пробела, здесь ничего не случится. И вот год прошел - мы оказались правы.
Таким образом до некоторой степени прогноз возможен, потому что мы определяем поверхность разрыва, смещение на ней, и тем самым можем оценить, как изменились напряжения в земной коре в окрестности очага землетрясения, приведут ли они к увеличению напряжений на соседних разломах или нет? Это тоже один из методов, когда по изменению напряжений можно оценить перспективы активизации разломов.
Вы упомянули про GPS. Они стоят сейчас во многих сейсмоактивных областях, но очень редко по ним можно заранее видеть какие-то смещения до землетрясений. Очень редко.
Что происходит, когда идет сдвиг тектонических плит?
Корр.: Мы все время говорим о движении плит. Но они ведь не ювелиром сделаны, они не могут обладать гладкими поверхностями! А значит трутся они, вежливо говоря, друг о друга зубчатыми боками, и когда надвигается одна плита на другую, то даже со скрежетом.
Михайлов: Да, контакт плит неровный. Более того, плиты даже внутри не монолитны. Например, знаменитый разлом Сан-Андреас, который идет через всю Калифорнию, живет своей очень сложной жизнью. У него есть участки, которые плотно заперты, сцеплены друг с другом, как будто их гвоздем скрепили. И вот что получается: две соседние плиты движутся, а на разных участках их контакта сцепление неодинаковое. Значит там, где, как мы говорили, участки как гвоздями сшиты, там будут копиться напряжения, которые в определенный момент вызовут разрыв, и произойдет смещение бортов разлома.
Таким образом, с помощью космической геодезии (наука, изучающая смещения поверхности Земли из космоса - ИФ) можно определить, где у вас копится напряжение, а где они за счет происходящих смещений частично или полностью релаксируют, и опасность снимается. Так космическая геодезия обнаружила "тихие землетрясения" в областях "сейсмических брешей".
Корр.: Тихие землетрясения, сейсмические бреши?..
Михайлов: Объясню. Рассмотрим области, где одна плита погружается под другую. Это так называемые зоны субдукции, где происходят самые сильные землетрясения. Часто землетрясения происходят вдоль зоны субдукции на довольно большом расстоянии, а между ними остаются участки, где землетрясений давно не было. Эти участки и называются сейсмическими брешами. Здесь естественно ожидать землетрясение. Но иногда на таких участках с помощью методов космической геодезии обнаруживаются относительно медленные смещения, которые снимают напряжения, но не создают сотрясений Земли. Такие смещения делают то же, что землетрясения, но тихо, без шума и жертв.
Одними из первых это обнаружили японцы методами космической геодезии. Когда они установили детальную сеть приемников GPS, то обнаружили, что движений на каком-то участке длительное время нет, а потом они начинаются в режиме ползучести. В Японии очень частая сеть станций GPS, которые все отслеживают, данные регулярно передают в институт географии, где проводится анализ смещений во времени.
Корр.: И это видно по результатам работ на самой поверхности Земли или это наблюдения из космоса?
Михайлов: Классические методы наземной геодезии применяют на относительно небольших участках. Глобальную систему движения плит удалось построить благодаря методам космической геодезии. Определены скорости движения плит, относительные смещения на их границах. Это не прогноз землетрясений, но важная информация для оценки сейсмической опасности.
Еще одна опасность – оползни!
Корр.: Разрушения порой вызываются не только землетрясением, но и оползнями. Из космоса можно ими заниматься?
Михайлов: Да, мы изучаем не только землетрясения, но и следим за оползнями. Например, в нашей лаборатории ведется мониторинг оползневых склонов в районе Большого Сочи. Там ведется большое строительство, в том числе на оползневых склонах. Результат? Совсем недавно в с. Сергей-Поле коттеджный поселок "Горная поляна" почти целиком сошел со склона. Хорошо, что обошлось без жертв. Специалистам было известно, что это оползневой склон. И мы регистрировали движения склонов по спутниковым снимкам до схода оползня. Мы об этом статью написали.
Мы также следим за оседаниями над калийными рудниками, в частности, в Пермском крае в городе Березники, где бывают провалы. Город сейчас постепенно "переезжает". Раньше жилые дома строили рядом с заводом или рудоуправлением, чтобы недалеко до работы ходить было. Но постепенно вода проникала в подземной пространство, и образовались провалы.
Мы отслеживаем эти движения из космоса, потому что это социально важная задача. Изучаем и смещения на вулканах. Сейчас на вулкане Шивелуч мы обнаружили, что один из его склонов приподнялся на сорок сантиметров. Пытаемся промоделировать и показать, что, наверное, там внедрилась магма. Поднялась, но не вырвалась на поверхность.
Корр.: Пока не вырвалась? Магма может пробить кору, и эту опасность можно увидеть из космоса?
Михайлов: Магма чаще вырывается из жерла вулкана, но бывают и трещинные извержения. Так было на вулкане Толбачик. Там на склоне образовалась протяженная трещина, и оттуда огромным потоком вытекала лава. Но часто магма не достигает поверхности. Такие процессы можно отследить методами спутниковой радарной интерферометрии по деформации склонов вулкана.
Сейчас методы спутниковой радарной интерферометрии используются очень широко в строительстве. В Петербурге, например, при прокладке новой линии метро нас попросили посмотреть, не попадут ли в возможную область оседания жилые или исторические здания.
Так что, как видите, космические технологии на Земле очень и очень нужны!
