В Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН разработаны уникальные методики для исследования землетрясений. Они позволяют установить закономерности разрушения на небольших объёмах породы.

Землетрясение — одно из самых опасных стихийных бедствий. Учёные проводят полевые и лабораторные исследования, чтобы понять, как подготавливаются землетрясения, какие явления сопровождают этот процесс. В полевых условиях ищут его проявления на поверхности. В лабораторных исследованиях пытаются воспроизвести отдельные особенности процесса.

Очаги землетрясений располагаются на глубинах до сотен километров и недоступны для прямого наблюдения. Пока невозможно ни измерять механические напряжения на таких глубинах, ни в точности воспроизводить их в лаборатории. Для полного понимания сейсмического процесса необходимо измерять не только напряжения, но также деформацию и скорости смещений горных пород.

При проведении лабораторных экспериментов учёные пытаются приблизиться к условиям, характерным для очагов землетрясений. Их интересует процесс разрушения горных пород в масштабах земной коры, непрерывно протекающий в сейсмоактивных регионах.

Лабораторное моделирование имеет важное практическое значение: оно позволяет установить закономерности разрушения на небольших объёмах породы. Такие исследования актуальны для подземных сооружений и рудных месторождений, при эксплуатации которых могут возникнуть горные удары и обрушения.

Непрерывное развитие приборной базы и возможностей по обработке данных позволяет предложить эксперименты для обнаружения новых, ранее не зарегистрированных явлений. Сотрудники ИФЗ РАН разработали уникальное оборудование и внедряют его в лабораторные эксперименты. Это комплекс, который измеряет физические величины: деформацию, скорость движения, температуру, электромагнитные и акустические импульсы. Сигналы с каждого датчика регистрируются синхронно.

Лабораторная модель сейсмогенного разлома состоит из двух блоков породы, сильно прижатых друг к другу. Учёные увеличивают сдвиговую нагрузку до критического уровня, при котором происходит скачкообразное смещение блоков — лабораторное землетрясение. Исследователи изучают реакцию модели на увеличение нагрузки до уровня, близкого к критическому, в условиях разного увлажнения контакта блоков.

Вода или растворы солей всегда присутствуют в горных породах. Согласно одной из концепций подготовки землетрясений, при росте тектонических напряжений в горной породе образуются трещины, которые начинают заполняться водой. Её давление возрастает, что приводит к уменьшению прочности пород. При продолжающемся росте тектонических напряжений происходит землетрясение.

В модели разлома действие воды тоже уменьшает прочность, что увеличивает вероятность лабораторного землетрясения. Но блоки могут не только смещаться рывками, но и медленно, плавно скользить друг по другу. Если сдвиговая нагрузка в модели падает быстрее, чем вода просачивается в разлом, то лабораторное землетрясение не произойдет.

В одной из серий экспериментов сотрудники ИФЗ РАН увлажняли модель, несколько раз нагружали её до критического уровня (то есть до возникновения «землетрясения») и несколько раз — до субкритического уровня. В субкритическом состоянии при слабом увлажнении не наблюдалось никаких аномалий, а при сильном увлажнении были обнаружены микросрывы — малые и быстрые смещения блоков. По величине они на два порядка меньше, чем смещения при лабораторном землетрясении.

Обнаружить микросрывы получилось благодаря измерению ускорения с помощью высокочастотного чувствительного трехкомпонентного акселерометра: на нем микросрывы давали отчётливый и заметный сигнал. В сигналах остальных датчиков увидеть микросрывы получилось только при последующей подробной обработке данных. После остановки нагружения интервалы между микросрывами увеличиваются, смещения и ускорения плавно уменьшаются.

Исследователи предположили, что контакт блоков (модельный разлом) сразу после сильного увлажнения начинает неравномерно высыхать. В одних областях контакт становится более прочным, а в других — менее прочным. Это изменяет баланс механических сил и может привести к небольшим смещениям — микросрывам. Плавное скольжение блоков приводит к уменьшению сдвиговой нагрузки и частоты микросрывов. Вероятно, сами микросрывы тоже способствуют падению сдвиговой нагрузки и уменьшают вероятность лабораторного землетрясения. Этот факт может послужить основой для оценки опасности горных ударов.

Ведущий научный сотрудник ИФЗ РАН, кандидат технических наук Павел Казначеев уточняет: «Сейчас мы прошли первый этап — внедрили измерительный комплекс, показали возможность синхронной регистрации разнородных сигналов и их обработки в режиме реального времени. Благодаря этому в процессе эксперимента мы обнаружили то, что раньше не замечали или замечали только при постобработке данных. Следующий этап — это кратное увеличение количества датчиков. Таким способом мы сможем уточнить параметры микросрывов и определить, в какой части модели они возникают. Но объёмы регистрируемой и обрабатываемой информации тоже кратно возрастут. Нам приходится работать не просто с большими данными, а с большими потоками данных. Для сравнения скажу, что сейчас за один эксперимент длительностью два-три часа мы получаем порядка одного терабайта данных, а будет существенно больше».

Источник: «Коммерсантъ».