«Мы хотим четко прогнозировать землетрясения»: ученый ТГУ о математике, моделях и движениях земной коры

Профессор кафедры прочности и проектирования Павел Макаров об изучении движений элементов земной коры и том, как это знание может помочь создать математическую модель и прогнозировать катастрофические землетрясения.

Земная кора состоит из плит. Эти плиты приводят ее в напряженное состояние, двигаясь и взаимодействуя друг с другом. Какие-то из движений провоцируют сильные землетрясения, для описания возникновений и распределений которых в современной науке пока что не существует общей математической модели.

Ее созданием занимаются ученые физико-технического факультета ТГУ под руководством профессора кафедры прочности и проектирования Павла Макарова. Свою модель они тестируют как в теории – на малых модельных образцах, так и на практике – в Байкальской рифтовой зоне, где есть надежные данные наблюдений.

Пресс-служба ТГУ провела интервью с Павлом Макаровым, где он рассказал о проводимой его командой работе. «Бабр» публикует главные выдержки из этого интервью.

Проблематика исследований

Земная кора не стационарна. Движение ее отдельных элементов и их деформация идут на разной скорости и в разных пространственных масштабах, создают напряженное состояние и формируют рельеф земной поверхности, провоцируя землетрясения различной магнитуды. Они возникают тогда, когда напряжения превышают прочность элементов земной коры. В результате формируется новый разлом либо активизируется старый, вызывая разрушение.

Сейчас ученые задаются вопросом: реально ли на современном уровне знания создать математическую модель этого процесса? Возможно ли воспроизвести движения и взаимодействия элементов земной коры и описать развивающиеся в них напряжения и разрушение, включая в том числе катастрофические землетрясения?

Моделирование процессов разрушения и малых образцов, и элементов земной коры приблизило бы науку к пониманию природы землетрясений.

Прогноз землетрясений

У землетрясений есть много предвестников. В процессе движений и взаимодействий элементов земной коры аппаратуры регистрирует колебания поверхности в сейсмоактивном регионе. Однако точно определить таким образом приближение катастрофического землетрясения невозможно.

Общие закономерности процессов разрушений позволяет выявить нагружение малых образцов – этими задачами в течение многих лет занимается механика. Ученые изучают не только само катастрофическое разрушение, но и мелкомасштабные процессы. На основе общих подходов механики деформируемого твердого тела и наблюдений за развитием сейсмического процесса строится математическая модель. В этом и заключается проект ученых ТГУ.

«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», - рассказывает Павел Макаров.

Накопление повреждений на начальном этапе развивается очень медленно, на заключительной стадии – в сверхбыстром режиме. В малых образцах за миллисекунды он доходит до катастрофы.

Планы

В планах ученых – создание метода четкого прогнозирования катастрофических землетрясений.

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

Земная кора в любом случае должна находиться в напряжении. Если ученые научатся вовремя снимать его, то смогут организовывать искусственные землетрясения, делая их медленными и безопасными. Модель ученых ТГУ приближает человечество к пониманию того, как это делать.

«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», - резюмирует профессор.