«Если мы смоделируем процесс землетрясений, мы приблизимся к их прогнозированию». 

Вся земная кора состоит из плит — они движутся, взаимодействуют друг с другом, а в результате вся земная кора находится в напряжённом состоянии. Какие-то из этих движений приводят к трагическим последствиям — сильным землетрясениям. Но пока что нет общей математической модели, которая опишет, как возникают и распределяются землетрясения.

Созданием такой модели в рамках проекта РНФ занимаются учёные физико-технического факультета ТГУ под руководством профессора кафедры прочности и проектирования Павла Макарова. Свою модель физики тестируют как на малых модельных образцах, так и на элементах земной коры с разломами, в том числе в Байкальской рифтовой зоне общей протяженностью более 1 500 км, где есть надёжные данные наблюдений.​

pavel-makarov-ftf.jpg

Мы поговорили с Павлом Макаровым о том, как изучаются движения элементов земной коры и как это знание может помочь создать математическую модель этих движений и прогноза землетрясений.

— Павел Васильевич, в чём проблематика ваших исследований?

— Мы знаем, что земная кора не стационарна. Она движется. При этом нам хорошо известно, как движутся континенты: вот, например, Евразия и Африка — с одной стороны, и Северная и Южная Америки — с другой. Их разделяет Трансатлантический хребет, расположенный в центре Атлантического океана. По обе стороны от Трансатлантического хребта океаническая кора наращивается, а континенты расходятся, увеличивая площадь Атлантического океана. Понятно, что в глобальном масштабе должна соответственно уменьшаться площадь Тихого океана. На разных пространственно-временных масштабах идут соответствующие движения отдельных элементов земной коры и их деформация. Все эти движения сопровождаются землетрясениями различной магнитуды. Например, многие миллионы лет назад Индия располагалась далеко от Евразии, но в результате дрейфа этот континент врезался в Евразийский. Так образовались Гималаи. Движение материков и более мелких элементов земной коры создают в них напряжённое состояние, формируется соответствующий рельеф земной поверхности.

И есть проблема: реально ли на современном уровне знания создать математическую модель этого процесса? Можно ли воспроизвести движения и взаимодействия элементов земной коры, а также описать развивающиеся в них напряжения и разрушение, включая в том числе катастрофические землетрясения?

Поясню: землетрясения возникают, когда напряжения превышают прочность элементов земной коры, формируется новый разлом либо активизируется старый, вызывая разрушение. Разломы бывают разных масштабов, от одного метра до нескольких тысяч километров. Моделирование процессов разрушения и малых образцов, и элементов земной коры приближает нас к пониманию природы землетрясений.

— Какие исследования помогут нам прогнозировать катастрофические землетрясения?

— Любой процесс разрушения не происходит внезапно. У землетрясений есть много предвестников. Например, когда расходятся два элемента земной коры, уровень грунтовых вод снижается, а если сходятся, то уровень вод повышается. Этот процесс изменения уровня грунтовых вод можно рассматривать как один из предвестников возможного землетрясения. В процессе движений и взаимодействий элементов земной коры сейсмографы регистрируют колебания земной поверхности в сейсмоактивном регионе, но точно определить таким образом приближение катастрофического землетрясения в данном регионе невозможно. Трясёт нас всегда. Слабые возмущения мы можем и не замечать. Нас же интересуют так называемые катастрофические события.

Нагружение малых образцов позволяет выявить общие закономерности процессов разрушений, в том числе и в элементах земной коры. Этими задачами механика занимается много лет. Мы изучаем не только само катастрофическое разрушение, но и мелкомасштабные разрушения, и то, как этот процесс деструкции идёт к макроскопическому катастрофическому разрушению.

На основе общих подходов механики деформируемого твёрдого тела и наблюдений за развитием сейсмического процесса строится математическая модель. Наш проект в этом и заключается. В лаборатории мы воспроизводим малые землетрясения. Сжимаем образцы, а с боковой поверхности записываем колебания свободной поверхности. Каждая трещинка порождает импульс — звуковой, например. Он выходит на поверхность — и поверхность колеблется. Колебания эти маленькие, доли микрон, но лазерный интерферометр записывает этот процесс.

Оказывается, накопление повреждений на начальном этапе идёт очень-очень медленно. На заключительной стадии процесс развивается в сверхбыстром режиме. В малых образцах за миллисекунды он доходит до катастрофы.

Когда мы на малых образцах научились описывать процессы разрушения, затем изучили разрушения более крупных масштабов в шахтах, то перешли к моделированию разрушений в земной коре на существенно больших масштабах. Мы смоделировали процесс столкновения Индийского континента с Евразийским, воспроизвели процесс образования Гималаев и разрушений, которые «докатываются» вплоть до Байкала.​

modelirovanie-seysmicheskogo-protsessa.jpg

— Эти наблюдения уже работают в модели? Или работа пока в процессе?

— На маленьких образцах наша модель до неприличия хорошо совпадает с данными экспериментов. Реакцию этих образцов на нагружение и особенности их разрушения мы изучили и смоделировали, расчётные и экспериментальные кривые совпадают. Нам только нужно в модели подобрать скорости накопления повреждений при различных условиях нагружения. Например, если один образец разрушился при такой-то нагрузке за 10 минут, при увеличенной — за 1 минуту, а при ещё увеличенной — за несколько секунд, то мы в зависимости от нагрузки знаем долговечность образца, и мы может верифицировать модель. Но реальная геосреда бесконечно далека от образца.

— Более непредсказуемая?

— Скорее более сложная и неоднородная. Для каждого структурного элемента земной коры мы должны описать его отклик на нагружение. Если мы это правильно заложим в модель, то получим правдоподобную картину. Но я не зря сказал «правдоподобную»: это не значит, что мы воспроизвели процесс разрушения, включая землетрясения. Существует и такое мнение, что землетрясение непредсказуемо принципиально.

Представьте десять ниток — и за каждую мы тянем по-разному. Слишком много разных параметров. И их сочетание даёт огромную вариацию возможных сценариев, которые просчитать сложно. Зачем тогда наша деятельность? Мы должны понять общие закономерности эволюции геосреды к катастрофическому разрушению. Эти соображения — важные дополнения к тому, что дают данные мониторинга, соответствующие сейсмограммы. Вместе с этим мы можем хотя бы давать экспертные оценки. И тогда можем сказать, насколько мы близки к катастрофе.

Мы хотим чётко прогнозировать землетрясения. Прогноз — это, например, «Через два часа будет землетрясение, выключайте электричество и газовое снабжение, эвакуируйтесь». К такому прогнозу мы только движемся.

— То есть, непонятно и как спрогнозировать землетрясение, и как снизить ущерб?

— К прогнозам мы уверенно продвигаемся. А вопрос совершенно другой: обладает ли человечество таким ресурсом, чтобы снять напряжения элементов земной коры и предотвратить катастрофические последствия? Напряжения всё равно должны быть. Если элементы земной коры движутся, напряжение есть, и оно будет нарастать, и однажды оно превысит прочность. Если мы научимся эти напряжения снимать, мы тем самым можем организовать искусственное землетрясение. И будет хорошо, если удастся его сделать медленным и безопасным.

— Ваша модель приближает нас к пониманию, как это делать?

— Тут много аспектов. У нас есть понятные прикладные задачи, которые мы успешно решаем: как разрушаются малые образцы, какова их долговечность, как делать безопасные посадки кровли в шахтах, как безопасно разрабатывать угольные пласты. Сейчас уже на хорошем, качественном уровне мы научились моделировать и сейсмический процесс.
Проект «Механизмы генерации и распространения медленных волн деформации. Их роль в формировании очагов катастрофических разрушений, включая сейсмические активизации» (19-17-00122, руководитель Павел Макаров) по приоритетным направлениям деятельности поддержан грантом РНФ до конца 2021 года.

Текст: Екатерина Виноградова




Источники

Ученый ФТФ о том, как математика помогает понять природу землетрясений
Томский государственный университет (tsu.ru), 15/09/2021

Похожие новости

  • 17/08/2020

    Аспиранты сибирских вузов – победители конкурса РФФИ: НГАУ, ТГУ, ИРНИТУ

    Аспиранты сибирских вузов получили гранты за лучшие проекты фундаментальных научных исследований. РФФИ на основании решения бюро совета Фонда (протокол № 10(237) от 06.08.2020) публикует списки поддержанных проектов по конкурсу на лучшие проекты фундаментальных научных исследований, выполняемые молодыми учеными, обучающимися в аспирантуре («Аспиранты»).
    990
  • 25/01/2021

    Учёные нашли способ обнаруживать лесные пожары на ранней стадии

    ​​Томские ученые исследовали, как степные пожары влияют на метеорологические параметры атмосферы и на содержание в ней разных соединений. Удалось зафиксировать заметные изменения газового состава воздуха — авторы предлагают ориентироваться на них, чтобы обнаружить и потушить степной пожар, пока не стало слишком поздно.
    716
  • 16/08/2021

    Продолжение следует. Метод известного математика получил развитие

    Профессор Игорь Фуртат из Института проблем машиноведения РАН, инженер по образованию и математик по призванию, развивает методы автоматического управления, в частности, адаптивного. Направление широко распространенное, поскольку огромное количество разнообразных технических систем необходимо контролировать, добиваясь при минимуме затрат максимума эффективности и надежности программных регулирующих механизмов.
    292
  • 30/03/2021

    Международный день метеоролога: в программе «Час науки» специальный репортаж о работе ИОА СО РАН

    ​​28 марта, в 17:00, в эфире канала «Россия-24 Томск» в программе «Час науки» вышел в эфир сюжет, приуроченный к полувековому юбилею Лаборатории климатологии атмосферного состава и Международному дню метеоролога.
    490
  • 02/02/2021

    Четвертый совместный конкурс научных проектов РНФ и Министерства науки и технологий Тайваня (MOST)

    ​Российский научный фонд начал прием заявок на конкурс 2021 года по поддержке международных научных коллективов. Конкурс проводится совместно с Министерством науки и технологий Тайваня (MOST).  Совместный конкурс проводится организациями уже в четвертый раз.
    1675
  • 16/01/2017

    Перечень международных, всероссийских и региональных научных и научно-технических совещаний, конференций, симпозиумов, съездов, семинаров и школ СО РАН на 2017 год

    ​Президиум федерального государственного бюджетного учреждения «Сибирское отделение Российской академии наук» согласился с предложениями научных организаций, в отношении которых Сибирское отделение РАН осуществляет научно-методическое руководство, по проведению конференций в 2017 году и согласовал Перечень научных и научно-технических совещаний, конференций, симпозиумов и школ СО РАН в области естественных и общественных наук.
    7139
  • 30/12/2020

    Топ-30 разработок сибирских ученых в 2020 году

    ​На портале «Новости сибирской науки» можно познакомиться с инновациями и последними достижениями сибирских ученых. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию Топ-30 сообщений о наиболее значимых и интересных научных разработках 2020 года, размещенных на нашем сайте.
    6297
  • 03/02/2021

    Программа мероприятий, посвященных Дню российской науки

    ​Ежегодно 8 февраля российское научное сообщество отмечает свой профессиональный праздник — День российской науки. ​ По традиции к этой дате в институтах и вузах, находящихся под научно-методическим руководством Сибирского отделения РАН, приурочены научно-популярные мероприятия: дни открытых дверей, экскурсии, лекции и так далее.
    2411
  • 31/07/2020

    Лидары космического, наземного и мобильного размещения

    В прошлом номере «Томские новости» писали о молодом ученом из Института оптики атмосферы, руководителе лаборатории атмосферной радиации Александре Коношонкине, который рассчитал математическую модель для исследования перистых облаков.
    1196
  • 05/02/2021

    Истины в физическом измерении: молодой томский учёный об очевидном, невероятном, сложном и простом

    Как и зачем молодежь идет в науку? Однозначный ответ неочевиден, потому что у каждого молодого ученого свой путь в интеллектуальную сферу. Кто-то продолжает семейную традицию, есть те, кто готовит себя в исследователи с детства, а кто-то становится научным сотрудником случайно и… остается.
    836