Люди издревле боятся землетрясений. Рассерженная планета способна уничтожать города и превращать целые страны в постапокалипсические пустыни — вспомнить хотя бы недавние трагедии на Гаити, в Чили, Японии. А вот сейсмологи занимаются тем, что вызывают землетрясения искусственно.
Для чего нужны искусственные землетрясения?
Мобильный сейсмический вибратор Mertz M12P/602 предназначен для геологоразведочных работ. 18-тонная машина может передавать почве колебания частотой от 6 до 100 Гц; специальное программное обеспечение позволяет составить 3D-карту геологической среды. Используется немецкой геологоразведочной компанией DMT.

Все началось 4 сентября 2010 года. На Южном острове Новой Зеландии, в регионе Кентербери произошло мощное землетрясение магнитудой 7,1. Для столицы региона, города Крайстчерч, это не было новостью — с момента его основания он четырежды разрушался землетрясениями, просто последнее произошло почти век назад, и жители города полагали, что планета под их ногами наконец успокоилась. Но не тут-то было.

Надо сказать, что Крайстчерч — второй по величине город Новой Зеландии, крупный промышленный и культурный узел, и ему, в принципе, повезло, потому что эпицентр располагался западнее города, примерно в 40 км. Последствия оказались неприятными — разрушено несколько зданий, в том числе связанные с энергетической инфраструктурой (три четверти города некоторое время оставались без света), но погибших не было, да и раненых оказалось всего два человека.

Казалось бы, все, пережили. Но подземные толчки не прекратились. Чаще всего афтершоки (последующие за основным пиком землетрясения толчки) продолжаются несколько часов или дней — но в данном случае они не закончились ни через неделю, ни даже через месяц. Служба GeoNet фиксировала это странное явление как череду последовательных землетрясений с небольшими магнитудами, до 3,5 балла. Город отстраивался и жил своей жизнью, просто иногда его потрясывало. А 22 февраля 2011 года ударило снова.

Сейсморазведка

Искусственное сотрясение земной поверхности и недр — это распространенная практика, преследующая различные цели. Чаще всего машины-сейсмовибраторы используются для разведки залежей нефти и газа. Суть методики в следующем: геофизики искусственно увеличивают давление в толще пород, чем вызывают упругие волны, которые распространяются вглубь и встречают на своем пути скальные породы разных составов, пустоты, бассейны и т.?д. Каждая преграда изменяет силу и скорость распространения волн — часть их отражается и возвращается, часть преломляется, часть распространяется дальше. По зоне возбуждения расставляются сейсмографы, фиксирующие колебания; после приема данные поступают на сейсморазведочную станцию и превращаются в полезную информацию.

Вызывать волны можно с помощью направленных взрывов или ударов по земной коре, но чаще используются специальные машины — так называемые сейсмические вибраторы на мобильных платформах. Обычно сейсмовибратор представляет собой комплекс, устанавливаемый на серийное шасси. Первые советские мобильные системы появились в 1970-х годах (СИ-32, СВ-5−150) и крепились чаще всего на платформах «Уралов-375» или — для труднопроходимых сибирских регионов — на гусеничные вездеходы.

Сегодня в производстве сейсмовибраторов лидируют США. Крупнейшие американские производители — компания Industrial Vehicles International (IVI) из Тульсы (Оклахома) и INOVA (Хьюстон, Техас). На третьем месте — французская Sercel. IVI производит вибрационные установки серии Minivib массой до 12 т и более серьезные устройства серий HEMI и ATS до 28 т — они используются для тестирования почвы при начале строительства новых зданий или, например, в точках, где планируется добыча полезных ископаемых. Системы устанавливаются на мобильные шасси EnviroVibe 2 и Birdwagen, разработанные специально для вибросистем, а также на серийные грузовики и пикапы.

В Россию аналогичное оборудование поставляет американо-китайская компания INOVA — в ее модельном ряду мобильные вибросейсмические источники для сейсморазведки AHV-IV массой до 36 т. INOVA сама производит шасси для источников, но их система PLS-362 устанавливается в том числе и на российские шасси — башкирская компания «Витязь» ставит их на мощные гусеничные транспортеры ДТ-30, способные пробиться через любой таежный бурелом. Впрочем, у нас делаются и собственные сейсмовибраторы — в Армавире («Точмашприбор»), для установки на базовые шасси ГАЗ или «Урал».

«Вибромобили» — это весьма узкоспециализированное оборудование, востребованное в определенных зонах и условиях. Чаще всего сейсмические исследования проводят операторы, имеющие в своем распоряжении «флот» сейсмических вибраторов и станций сейсморазведки. Но есть у вибраторов и еще одно назначение, помимо выяснения структуры недр, — научное.

Схема работы сейсморазведочного комплекса Hawk компании Nova.

Так функционируют практически все подобные системы.

Макро и микро

В Крайстчерче произошло редкое и довольно неприятное явление. Афтершоки постепенно перешли в форшоки — толчки, предшествующие основному землетрясению. Они спровоцировали новый удар меньшей магнитуды (6,3), но значительно более разрушительный из-за близости эпицентра — он располагался всего в 10 км от центра города, причем гипоцентр находился на глубине 5 км, то есть катастрофически близко к поверхности.

Февральское землетрясение стало вторым по количеству жертв за всю историю страны — погибло 185 человек; пострадал не только Крайстчерч, но и многие близлежащие городки. Афтершоки после этого удара — магнитудой до 6,4 балла! — продолжались до начала 2012 года. Б? льшая часть людей погибла в момент единовременного обрушения телевизионного центра региона Кентербери, более 6500 жителей получили ранения. Полностью разрушено более сотни зданий (в основном — выше пяти этажей), но пострадали практически все строения как в Крайстчерче, так и в соседних городах, Литтлтоне, Самнере, Редклиффсе. Суммарные финансовые потери региона составили более $40 млрд.

Так или иначе, непрерывное двухлетнее землетрясение с тремя мощными «выстрелами» магнитудой свыше шести баллов заинтересовало сейсмологов со всего мира. Одна из его причин — кентерберийская земля. Крайстчерч стоит на некоем подобии вазы с желе — большая масса болотистой, зыбкой почвы в пологой емкости, образованной жесткой горной породой. Это «желе» воспринимает колебания скалы, усиливает их за счет собственных колебаний и теряет жесткость, в результате чего здания «тонут» в образующихся разломах.

В середине 2012 года, после всех афтершоков, профессор Техасского университета в Остине Брэйди Кокс приехал в Крайстчерч, чтобы изучить обстановку. Он установил сейсмометры во всем регионе и провел подробный анализ микросотрясений земной поверхности. По итогам было принято решение привезти тираннозавра.

Tyrannosaurus Rex

Крайстчерч показался Коксу идеальным испытательным плацдармом для симулятора землетрясений T-Rex. Эта машина (как и ее брат-близнец Liquidator) была построена компанией IVI на платформе Birdwagen для программы Network for Earthquake Engineering Simulation (NEES) в 1999 году и с тех пор многократно усовершенствована. Основная задача T-Rex — полноценная симуляция землетрясения, то есть генерирование мощных динамических сил одновременно по трем осям координат, как это происходит во время реального катаклизма.

Масса T-Rex — 29?030 кг, на его подвижной раме установлена плита площадью 4,11 м², входящая в непосредственный контакт с землей. По команде оператора плита начинает вибрировать с определенной частотой (от 5 Гц), вызывая вертикальные силы до 267 и горизонтальные — до 133 кН.

Liquidator внешне похож на T-Rex, но имеет отличные от «коллеги» характеристики. Эта машина предназначена для работы на очень низких частотах — от 0,5 до 4? Гц — и может вызывать силы по двум координатным осям (вертикальной и горизонтальной, перпендикулярной автомобилю). Максимальная генерируемая сила — 89 кН; при частоте ниже 1,3 Гц она начинает снижаться. Машины могут работать и в паре.

Имитация землетрясений играет в сейсмологии не меньшую роль, чем в георазведке. В процессе исследования сейсмологи могут проследить, как ведут себя различные типы почв и скал во время землетрясения — то, что крайне редко получается сделать во время реальных катаклизмов. Когда происходит настоящее землетрясение, первой задачей становится спасение людей, предотвращение пожаров и других последствий. Более того, работать непосредственно во время землетрясения чаще всего просто опасно. Симуляция же позволяет в спокойной обстановке провести необходимые замеры для качественного прогнозирования природных катастроф. Естественно, для каждой конкретной географической позиции прогнозирование работает по‑своему; именно поэтому T-Rex закатили в трюм грузового корабля «Тонсберг» и отправили в Новую Зеландию, точнее, в самую сейсмоопасную ее область. Непосредственное исследование почв Кентербери позволит минимизировать потери от грядущих землетрясений.

Узкая специализация

До 2013 года проект NEES работал исключительно в США — его лаборатории располагались в 14 различных точках страны. Отправка T-Rex в Новую Зеландию вывела проект на новый, международный уровень. Скорее всего, мобильные симуляторы станут теперь более востребованы в мире: Индонезия, Филиппины, Япония — мало ли сейсмоопасных зон, требующих исследования.

По прибытии на место работы T-Rex начинает мерно сотрясать землю, постоянно меняя направления вибраций (это делается одним нажатием кнопки), чтобы создавать бессистемные, многократно самопересекающиеся сейсмические волны. Инженеры собирают информацию относительно того, при какой комбинации сотрясений опасность наиболее велика. Исходя из этого, новые сейсмостойкие здания в регионе можно строить с упором на защиту от конкретных угроз. То есть, к примеру, если максимальный эффект достигается на низких частотах (когда почва мягкая и слоистая), конструкция здания должна быть одного типа, если на высоких — другого.

T-Rex дает исчерпывающую информацию о почвах и их свойствах в плане распространения сейсмических волн. Иногда эта информация переносится и на другие схожие регионы; например, исследования в Крайстчерче применимы для почв, окружающих Лос-Анджелес или Солт-Лейк-Сити. Тут надо заметить, что в США таких серьезных землетрясений, как в Новой Зеландии, не было уже много десятилетий — это послужило одной из причин «интернационализации» проекта. Ученым нужны были новые данные для исследований.

Помимо T-Rex и Liquidator, у NEES есть еще и третья машина-симулятор, Thumper — пакет оборудования, установленный на серийный пикап Ford F650. Первые две машины развивают максимальную скорость не более 25 км/ч и в принципе не могут передвигаться по дорогам общего пользования, Thumper же сохранил все черты обычного автомобиля. Он создает вибрацию в трех плоскостях с частотами свыше 200 Гц и используется как для исследования почв на пустырях, так и для испытания уже построенных сооружений в черте города.

России, в принципе, повезло в плане сейсмической ситуации. Землетрясения в Японии, Новой Зеландии, Китае, на Филиппинах, даже в Италии могут быть значительно более разрушительными. Основные зоны опасности у нас находятся на Дальнем Востоке, а крупнейшим землетрясением в России (с учетом истории РСФСР) стала трагедия в городском поселке Нефтегорск на Сахалине в 1995 году: населенный пункт был полностью разрушен, погибло 2040 человек из 3197 жителей. Сегодня все здания в тех районах строятся с учетом требований сейсмостойкости, а ученые-сейсмологи проводят предварительные исследования. Искусственный вызов землетрясения в данном случае — это нечто вроде вакцинации, необходимой для предотвращения настоящей болезни.

Суровые сибирские исследования

Исследования, связанные с моделированием землетрясений, ведутся по всему миру. Практически все крупные сейсмологические институты имеют оборудование для имитации катаклизма, правда, не всегда мобильное. Одна из крупных сейсмоопасных зон на территории России находится на озере Байкал. Это Байкальская рифтовая зона, или Байкальский разлом, где земная кора становится тоньше и магма очень близко подходит к поверхности. Группа исследователей во главе с начальником сейсмологической службы Института земной коры Сибирского отделения РАН Валерием Ружичем уже много лет проводит там различные исследования. Несколько лет назад ученые разработали оригинальную методику: потенциальное землетрясение можно предупредить, проведя ряд локальных взрывов на участке разлома. А в 2014 году исследователи представили устройство для моделирования сейсмических явлений. 600-килограммовая плита размещается на участке природного разлома и, вибрируя, провоцирует природное сотрясение в разломе. Данные фиксируются, что позволяет спрогнозировать вероятность полноценного землетрясения в зоне Байкала и даже предотвратить его, сняв напряжение направленным воздействием на опасную зону.

Статья «Сотрясающие землю» опубликована в журнале «Популярная механика» (№2, Февраль 2015).