Видеозаписей такого кошмара, как цунами 11 марта, мы, пожалуй, еще не видели. По густозаселенной равнине идет лавина грязной воды с плывущими в ней домами, в том числе горящими, их обломками, рыболовными судами, машинами – людей не видно, но мы точно знаем, что их там очень много и у них мало шансов выжить. Перед лавиной – дома, теплицы, парковки, дороги, по которым едут машины, а ехать уже некуда – и спереди и сзади асфальт уже перерезали грязно-коричневые языки…
Такой ужас в истории случался не раз, причем гибло гораздо больше людей – сотни тысяч. Просто мы впервые получили столь подробную съемку катастрофы с разных ракурсов, в том числе и панораму с воздуха. Фактически первый раз человечество наблюдало, какие беды несет катастрофическое цунами в технически развитой стране. Это не забудется. Шок от увиденного еще сыграет свою полезную роль в защите от будущих катастроф, а пока в средствах массовой информации всплывают взволнованные вопросы:
– Не слишком ли много крупных землетрясений в последнее время? Всего шесть лет назад мир потрясло землетрясение близ берегов Суматры – вызванное им цунами погубило более двухсот тысяч человек.
– Может ли всё это быть вызвано каким-то вселенским фактором, например влиянием Солнца и Луны, как объясняют в СМИ некие «доценты с кандидатами»?
Прежде всего отметим, что в масштабе Земли никакого всплеска сейсмической активности в последнее время нет, да и раньше не было статистически значимых глобальных всплесков. Всё распределение на глаз укладывается в рамки обычной пуассонов-ской статистики, когда события возникают без всякой корреляции с предшествующими. В целом причина возникновения землетрясения 11 марта в этом регионе тоже понятна, оно связано с погружением Тихоокеанской океанической плиты под Японскую островную дугу, имеющую континентальное основание. Положение планет и звезд тут не играло никакой роли. Вообще с 1900 г. на долю Японии пришлось почти 10% крупнейших землетрясений, включая нынешнее. В 1923 г. менее сильное землетрясение в Токио погубило более 100 тысяч человек – большинство погибло под обломками кирпичных зданий. Случись это землетрясение сейчас – жертв было бы немного.
Число сильных землетрясений за историю наблюдений (в том числе исторических) не увеличивается. Увеличивается сейсмический риск. Риск = сейсмическая опасность + плотность населения, тип застройки и т.д. Основную роль играют рост народонаселения (особенно в слаборазвитых странах) и урбанизация. В слаборазвитых странах урбанизации, как правило, сопутствует низкое качество строительства; следовательно, увеличивается риск разрушения зданий при землетрясении. Рост населения планеты приводит к тому, что люди все активнее заселяют сейсмически активные регионы. Особо плотно при этом застраивается и побережье, а на побережье велик риск пострадать от цунами. Таким образом, возрастает число потенциальных жертв. По данным USGS, только за первое десятилетие нового столетия (без 2011 г.) погибло 647 744 человека. При этом подавляющая часть смертей (когда счет идет на десятки, а то и на сотни тысяч жизней) приходится на несколько сильнейших землетрясений (например, в случае Суматранского землетрясения от цунами погибло свыше 200 тысяч человек).
От катастрофического цунами защититься гораздо сложней, но есть основания верить, что упорные японцы решат и эту проблему. А теперь – слово старшему научному сотруднику Института земной коры СО РАН, кандидату геол.-мин. наук Наталье Радзиминович, которая специализируется на изучении механизмов очагов землетрясений.
Слишком сильно и слишком близко
Землетрясение 11 марта потрясло не только Японию, но и всю планету, как в прямом смысле этого слова, так и в переносном. Связано это прежде всего с тем, что данное землетрясение является одним из сильнейших сейсмических событий мира, зарегистрированных инструментально (рис. 1). Предварительная магнитуда главного толчка, по данным Геологической службы США (USGS), составила 8,9. Но в дальнейшем значение моментной магнитуды Mw (наиболее адекватный тип магнитуды, особенно для сильных событий) было оценено как 9,0 (USGS) – 9,1 (Harvard CMT). Данное событие входит в пятерку событий с магнитудой 9 и более, величина которой близка к предельному значению, ограниченному способностью земных недр к разрушению. Самым сильным из известных землетрясений считается Чилийское событие 1960 г. с М=9,5.
В геологическом смысле все эти сильнейшие землетрясения произошли там, где им и «положено» произойти согласно тектонике плит. Все они приурочены к зонам субдукции, представляющим собой область погружения одной плиты (как правило океанической) под другую (как правило континентальную). Схема, иллюстрирующая этот процесс, показана на рис. 2.
Примечательно, что землетрясения сопровождают погружающуюся плиту до глубин 600700 км. Проекция очагов с разных глубин на поверхность дает четко выраженную зональность землетрясений по глубине, показанную на рис. 3. Однако важно отметить, что большая часть кумулятивного сейсмического момента приходится на мелкофокусные толчки с глубиной до 50 км [Ekstrom, 2009] (сейсмический момент – основная характеристика очага землетрясения, свидетельствующая о «проделанной работе» по перемещению вдоль разлома, сейсмический момент прямо пропорционален магнитуде).
Очаг землетрясения 11 марта также был неглубоким, всего 24 км. Землетрясение произошло в зоне Японского глубоководного желоба (трога), где Тихоокеанская плита субдуцирует либо под Евразийскую плиту, либо под Северо-Американскую (рис. 4), на этот счет единого мнения у исследователей нет. Восточная окраина Азии очень сложно устроена в тектоническом плане, здесь выделяется множество микроплит, одна из которых – Амурская – является частью Евразии, а Охотоморская принадлежит уже Северо-Американской плите. Положение границ этих микроплит и вообще само их существование являются предметом дискуссий. В данном случае это не принципиально, нам интересно лишь то, что землетрясение произошло по разлому, параллельному простиранию трога, полого (под углом 9-15°) падающего на запад, в сторону Японских островов. По предварительным данным, длина разрыва составила около 400 км. Надвиговый тип подвижки (т.е. направленное вертикально вверх смещение блока земной коры) и небольшая глубина очага привели к возникновению цунами.
Землетрясению предшествовали форшоки. За два дня до главного толчка произошло землетрясение с магнитудой 7,2. После основного удара наблюдается мощная афтершоковая серия. Только в течение часа после главного толчка было зарегистрировано три афтершока с М>7, каждый из которых – уже значимое событие, произойди оно отдельно.
Даже если не брать в расчет мощь землетрясения и вызванного им цунами, данное событие привлекает всеобщее внимание тем, что оно привело к столь серьезным разрушениям и жертвам в стране, которая, как ни одна другая страна мира, готова к таким событиям. На самом деле, как это ни парадоксально, данный случай показал, что Япония прошла проверку «на прочность». При такой интенсивности сотрясений, как 7 баллов JMA (а это максимальная отметка в японской шкале JMA, см. врезку), основные разрушения и жертвы были вызваны цунами, пожарами и оползнями. В Токио, расположенном на расстоянии 370 км от эпицентра, интенсивность составляла 5 Upper баллов, что уже подразумевает повреждения зданий, однако сообщается только об обрушениях крыш и погнутой телебашне. Это результат урока, преподнесенного землетрясением 1995 г. с М=6,9, унесшего жизни почти 6 тысяч человек и разрушившего город Кобе. После этого в стране строительные нормы были кардинально пересмотрены, а в инженерной практике появились самые современные пассивные и активные методы защиты зданий. В Японии большинство высотных зданий – “dynamic intelligent buildings”, они обеспечивают ответную реакцию на разные типы колебаний.
Форшоки – землетрясения, предваряющие сильные землетрясения (происходят не всегда). Обязательно слабее главного события.
Афтершоки – повторные сейсмические толчки меньшей интенсивности, сопровождающие главные толчки. Афтершоки связаны со снятием или перераспределением тектонических напряжений в земной коре после главного удара.
Магнитуда – мера величины землетрясения, определяемая по амплитудам сейсмических волн. Понятие маг-нитуды было введено Чарлзом Рихтером в 1935 г. Магнитуда – логарифмическая величина, сравнивающая, насколько сильнее по амплитуде записи исследуемое явление, чем некоторое стандартное. Разница магни-туд на единицу будет означать разницу в амплитуде колебаний (при одинаковом эпицентральном расстоянии) в 10 раз. А энергия, выделившаяся при землетрясениях с разницей в магнитуде на одну единицу, отличается уже в 32 раза. Предельная известная магнитуда – примерно 9,5. Совсем слабые толчки могут иметь отрицательные значения. В сейсмологической практике существует очень много разных типов магнитуды, в зависимости от типа волн, по которым она определяется.
Интенсивность – уровень сотрясений во время землетрясения в конкретном пункте (в любой точке поверхности). Интенсивность зависит от магнитуды землетрясения, расстояния от очага, направленности разрыва, грунтовых условий и т.д. Шкалы интенсивности, действующие в России (MSK-64), в Европе (EMS-98), в США (MM) -12-балльные. В Японии принята шкала JMA, где максимальное сотрясение равняется 7 баллам, а баллы 6 и 5 подразделяются на 6 Upper, 6 Lower, 5 Upper, 5 Lower.
Журналисты очень часто путают магнитуду и интенсивность. Их излюбленная фраза – «столько-то баллов по шкале Рихтера», запутывающая абсолютно всех. Баллы не бывают по шкале Рихтера! Либо шкала Рихтера без баллов, либо шкала в баллах, но без магнитуд Рихтера. Например, магнитуда Ташкентского землетрясения 1966 г. была всего М=5,3, а ощущалось оно в городе с интенсивностью 8 баллов. Такие разрушения при относительно слабом землетрясении были связаны с неглубоким залеганием очага, фактически под городом. Другой пример – землетрясение 2008 г. на южном Байкале. Магнитуда события была 6,3, в населенных пунктах вблизи эпицентра оно ощущалось на 7-8 баллов, а в Иркутске, на расстоянии 80 км, – с интенсивностью 6 баллов.
Однако в Сендае и других городах на побережье особую опасность представляют пожары. Именно они, кстати, в значительной степени были причиной и столь ужасающих последствий землетрясения в Канто (Токио) 1923 г., в результате которого погибли 142 800 человек.
Но современная Япония – высокотехнологичная страна, и в XXI веке новым вызовом стала радиационная угроза. В стране действуют 54 атомных реактора на 19 станциях. Сейчас внимание всего мира приковано к атомным станциям «Фукусима-1» и «Фукусима-2», расположенным к югу от Сендая. По имеющейся информации, на сегодняшний день здания АЭС выдержали подземные толчки фактически без ущерба. В момент землетрясения реакторы были заглушены. Авария же оказалась спровоцирована выходом из строя дизельных генераторов, питающих систему охлаждения.
Особо следует сказать и о системах раннего предупреждения, прошедших проверку данным землетрясением. Эффективная работа системы оповещения о цунами, действующая на Тихоокеанском побережье, хоть и не предотвратила экономического ущерба (например, на Гавайях и в Калифорнии), но свою главную задачу выполнила. Во всех странах была проведена эвакуация населения. Помимо системы оповещения о цунами Японским метеорологическим агентством (JMA) с 2007 г. запущена система раннего предупреждения о землетрясении (Earthquake Early Warning). При достижении сейсмическими волнами ближайших станций происходит автоматическое определение параметров очага, рассчитывается предполагаемая интенсивность сотрясений в любой точке страны, и в случае превышения пороговых значений объявляется тревога всеми возможными средствами – через радио, телевидение, через сотовых операторов, сирены и т.д. Добавьте к этому регулярные учения и просветительскую работу среди населения. Сообщается, что и 11 марта эта система сработала,по крайней мере за минуту до прихода волны на остров. Возможно, эта минута спасла кому-то жизнь.
Так почему же это землетрясение стало столь неожиданным и катастрофичным? Ответ пока один: землетрясение 11 марта было слишком сильным и произошло слишком близко. Да, сильные землетрясения ожидаемы в этом районе, но ожидаемая магнитуда была 8-8,5. События с М=9 – всё же редкость. Расстояние от эпицентра до ближайшего побережья (префектура Мияги с центром в г. Сендай) – чуть больше 100 км. При скоростях сейсмических волн (в среднем скорость прямой Р-волны – 6 км/с) и волны цунами (на глубине средняя скорость – 0,2 км/с) никакая система предупреждения для близко расположенных территорий не способна сработать.
Известно выражение: «Людей убивает не землетрясение, людей убивают здания». В первом приближении Япония справилась с этой проблемой,но цунами продолжают убивать людей, а АЭС еще и добавляют проблему радиационной безопасности. Это новые уроки для Японии и всего мира, которые, к великому сожалению, достаются человечеству слишком высокой ценой. На 13 марта официально сообщается о 900 погибших (неофициальные цифры – 2500 человек), 1600 получивших ранения и 600 пропавших без вести. Однако, по сообщениям местных СМИ, только в городе Минамисанрику (префектура Мияги) пропавшими без вести числится около 9,5 тысяч человек. Около 200 тысяч человек эвакуировано из районов, прилегающих к АЭС «Фукусима-1» и «Фукусима-2».
Таким образом, прошедшее землетрясение еще раз указало на необходимость решения практических проблем, связанных в первую очередь с защитой от цунами на близких расстояниях и, традиционно, с усилением безопасности инфраструктуры и особо опасных производств.
Последние сильные землетрясения мира показали, что задачи сбора информации и ее оперативного анализа, а также раннего предупреждения решены (причем в автоматическом режиме). Сейчас (по итогам землетрясения 11 марта) главными задачами, стоящими перед сейсмологами, могут считаться оценка длительности и мощности афтершоко-вой серии, а также выявление места (и времени) возникновения следующего сильного землетрясения, поскольку перераспределение напряжений после такого сильного толчка должно быть очень значимым.
P.S. В данной заметке не затрагиваются вопросы прогноза землетрясений, в том числе землетрясения 11 марта, так как это требует отдельной статьи.
2. www.iris.edu
5. www.jma.go.jp/jma/indexe.html
6. Ekstrom G. Global seismicity: results from systematic waveform analyses, 1976-2005, in: Treatise on Geophysics, vol. Earthquake seismology, Eds. H.Kanamori, 2009, Elsevier, p. 473-481.