Байкал: землетрясения можно предсказать

Путь к созданию новой модели, предсказывающей землетрясение, был долгим. Когда коллеги сказали мне, что хотят это сделать, я им, естественно, не поверил, ведь над проблемой точного предсказания землетрясений бьются буквально тысячи ученых из разных стран мира, и впереди всей планеты, японцы. И поэтому, так я думал, шансы у коллег исчезающе малы. Оказалось, что правы они, а я не прав. Хорошо, что я эту работу не запретил, хотя имел такую возможность.

Байкал. Фото С. Короткоручко

 

Итак, с точки зрения фундаментальной науки произошел крупный прорыв, как раз то, о чем мечтают наши уважаемые руководители. Но поскольку они не ученые и имеют полное право этого не понимать, надо им помочь. И еще хотелось бы рассказать об этом обычным людям, в особенности ученикам старших классов.

Точка отсчета-Атомный проект

Дорога была длинной. В конце Второй мировой войны американцы взорвали атомные бомбы в Хиросиме и Нагасаки. Я родился в 1939г., и до 1944г. мы с мамой и бабушкой жили в Новосибирске, в эвакуации. В тот год маме было предписано ехать в США, где в командировке находился отец.

Когда я услышал по радио о том, что американцы взорвали атомные бомбы, я спросил у папы, есть ли такая бомба у Сталина. Он ответил: «Конечно есть, сынок». На самом деле у Сталина бомбы не было, появилась она в 1949г. Урана в СССР оказалось очень мало не хватало даже на одну бомбу. Его нашли в оккупированных тогда Германии и Чехословакии. Степень секретности была высочайшей, даже слово «уран» нельзя было произносить.

Атомным проектом в СССР руководил Лаврентий Берия. Он умел отдавать приказы. Всем советским геологическим экспедициям было предписано иметь с собой в сейфе наган и счетчик радиоактивности, а также секретный приказ, напоминавший о том, что все должны искать уран. Было создано несколько специальных мощных управлений только для того, чтобы его найти. Всю эту громадную работу было бы невозможно провернуть, если бы в ней не участвовали самые талантливые ученые, виднейшие деятели советской фундаментальной науки. Когда уран был найден, некоторые из них в свободное от работы время выполняли несекретные фундаментальные исследования.

Заготовка высокообогащенного урана, полученного из переработанного лома. Public Domain

 

Нашу историю мы должны начать с признанных в мировом масштабе очень крупных советских радио­геохимиков Чердынцева и Чалова.

Прошу прощения у читателей за то, что здесь перечислено много скучных фамилий, придется потерпеть. Гомер в своей «Илиаде» привел имена всех героев, которые явились на войну с Троей. Нам эти имена не важны, но древним грекам они были очень важны.

Дальше я буду писать об изотопах урана и о том явлении, которое открыли Чердынцев и Чалов. Описать это словами для рядового читателя, да и для рядового постороннего ученого очень трудно. Мне лично потребовался год, чтобы понять, о чем идет речь. Ну, с Богом…

Урановые «часы»

Когда-то очень давно родилась и стала твердым телом Земля. Взрыв был ядерный, поэтому почти все элементы были радиоактивными, и за миллиарды лет почти все они стали нерадиоактивными. До наших дней могли дожить, кажется, только уран и торий самые тяжелые, последние в таблице Менделеева. Через миллиарды лет радиоактивными остались изотопы урана с атомными массами 238, 235 (он нужен для бомбы) и 234.

 

В. В. Чердынцев (слева) в 1954 г. совместно со своим учеником П. И. Чаловым (справа) открыл эффект естественного разделения изотопов урана ²³4U и ²³8U, названный в честь первооткрывателей

Виктор Викторович ЧЕРДЫНЦЕВ в 1931–1944гг. работал лаборантом в Ленинградском радиевом институте в отделе академика Вернадского. В 1935г., после очередного ареста отца, выслан из Ленинграда в Ташкент «как социально опасный элемент». После ходатайства В. И.Вернадского и его заместителя В. Г.Хлопина решение о высылке было отменено. По возвращении в Ленинград продолжил работу в Радиевом институте.
Во время войны в эвакуации в Татарстане работал в районе Чистополя начальником экспедиции Радиевого института и заведующим радиологической лабораторией. Проводил радиологические исследования на нефтяных месторождениях. Обобщив опыт этих исследований, подготовил и осенью 1943г. защитил кандидатскую диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.
В 1944–1950гг. работал заместителем директора Института астрономии и физики АН Казахской ССР (Алма-Ата), где организовал первую в Казахстане ядерную лабораторию. В феврале 1946г. защитил докторскую диссертацию по теме «Теория происхождения атомных ядер». Одновременно с работой в институте в 1946–1960гг. заведовал кафедрой экспериментальной физики Казахского государственного университета, где организовал специализацию по ядерной физике и проблемную лабораторию по исследованию ядерных процессов в природе и космических лучах.
Вместе со своим учеником и коллегой по Казахскому государственному университету П. И. Чаловым открыл эффект разделения изотопов урана, получив свидетельство об открытии №163 с приоритетом от 27 марта 1954г.
Павел Иванович ЧАЛОВ– участник войны, в РККА с декабря 1941г., в действующей армии с апреля 1942г. Удостоен боевых наград. Окончил Казахский государственный университет (1951) и его аспирантуру (1954)

Уран-238 продолжает распадаться и сегодня. Его очень много по массе, но скорость распада очень мала. Чтобы распасться наполовину, ему нужно 4,5 млрд лет. Считается, что Земля в более или менее современном виде появилась как раз около 4,5 млрд лет назад. Радиоактивность дает в руки исследователей очень важный инструмент: представьте себе, что каждый распавшийся атом может быть измерен с помощью очень простого прибора–ионизационной камеры. Кстати, первое, хотя и не очень точное определение возраста Земли было сделано Артуром Холмсом еще в 1927г.

Все остальные изотопы урана появились позже, и поэтому для нас важны только два– 238 и 234. Период полураспада урана-234 составляет всего 250 тыс. лет. Казалось бы, он тоже должен был давно исчезнуть из горных пород, но он не исчезает, потому что постоянно образуется из урана-238. Интересно и очевидно, что радиоактивность урана-238 и урана-234 может быть только одинаковой. (Радиоактивность– это число распадов в единицу времени на единицу массы. Радиохимики все меряют не в граммах, а в единицах радиоактивности, наверное затем, чтобы нам, бедным «чайникам», было труднее. Они говорят, что обычно в уране уран-урановое отношение (уран-234/238) равняется единице. Это птичий язык, язык профессионалов, понять его трудно, но постараемся.)

Ионизационная камера – простейший детектор излучения – представляет собой конденсатор, наполненный газом. При пролете через камеру частица излучения ионизирует газ, оставляя за собой след из заряженных частиц. Каждая ионная пара состоит из свободного электрона, который притягивается к аноду, и положительного иона, притягивающегося к катоду. В результате генерируется ток ионизации, пропорциональный количеству созданных ионных пар. Слева – ионизационная камера, которую сконструировал и использовал в своей работе один из первых исследователей радиоактивности, французский ученый Пьер Кюри. © Wellcome Collection gallery, Science Museum Group

 

Каждый школьник знает, что различные изотопы всех элементов совершенно не отличаются друг от друга по химическим свойствам, потому что электронная оболочка у них одинаковая, а ядра могут быть разными.

Чердынцев и Чалов, безусловно, искали месторождения урана для атомных бомб, но они были настоящие ученые, а поэтому в нерабочее время не отдыхали, а измеряли уран-урановые отношения у великого множества образцов пород и подземных вод. В породах, как и следовало ожидать, уран-урановое соотношение равнялось 1. К их полному изумлению, в некоторых образцах взвеси из воды, полученной из скважин, это соотношение было намного больше 1. Рекорд урана-234/238 равнялся 18! Никто в мире до них такого не наблюдал.

Эффект естественного разделения изотопов урана-234 и урана-238 (эффект Чердынцева – Чалова) при их переходе из твердых образований в жидкости объясняется открытием-закрытием микротрещин горной породы. Высокоэнергетические атомы отдачи тория-234, образующиеся при альфа-распаде урана-238, разрушают кристаллическую решетку, формируя в ней полости (объемные дефекты). В свою очередь, торий-234 в результате бета-распада превращается в уран-234. Таким образом изотопное соотношение урана в разрушенных областях смещается – создается избыток урана-234. При открытых микротрещинах аналогично меняется и изотопное соотношение урана в циркулирующих подземных водах (а). При закрытых микротрещинах этого не происходит (б)

 

Чердынцев объяснил это явление так: когда атом урана распадается, он оставляет за собой в горной породе трек– наноразмерный цилиндр, заполненный водой. Он понял, что в этом цилиндре и должен оставаться только что родившийся в результате распада урана-238 пока еще высокорадиоактивный дочерний атом урана-234. Далее, протекающие вокруг трека грунтовые воды вымывают уран, и эта вода попадает в пробоотборник, а потом и в детектор радио­активности, ионизационную камеру.

Эксперименты Чердынцева и Чалова описаны чрезвычайно понятным языком, неслучайно их описание на русском языке вскоре стало очень широко применяться во всем мире для приблизительного определения возраста подземных вод и горных пород в диапазоне от 10 до 500 тыс. лет. Это искусство давно утеряно. Например, для идентификации импульсов радиоактивности именно урана-234 и урана-238 они использовали просто папиросную бумагу разной толщины.

Точка приложения– Байкал

Теперь я вынужден отвлечься от Чалова и Чердынцева и вернуться в Иркутск, на Байкал. Во времена, когда я был директором Лимнологического института. В начале лихих 1990-х можно было делать все, и на Байкал хлынуло огромное число хороших иностранных, особенно американских, ученых. Немудрено: впервые Байкал стал совершенно открытым для иностранцев, а при советской власти из-за режима секретности был практически закрыт.

Мыс Бурхан – одно из самых красивых и известных мест на Байкале. © CC BY 2.0/ Michael Ravodin

 

И следующая важнейшая фигура в моем рассказе– один из таких ученых из Института воды Великих озер (Висконсинского института водных технологий и исследований окружающей среды), г.Милуоки, уже тогда довольно пожилой, недавно ушедший из жизни профессор Дэвид Эджингтон. В то время мы интенсивно исследовали Байкал, в особенности его донные осадки, и я совсем мало понимал в этом деле. Эджингтон и еще один американец– Стив Колмэн объяснили мне, что такое урановое равновесие, написали первую статью об уран-ториевой датировке осадков Байкала и датировали осадки, выпавшие в очень важные для понимания эволюции нашего священного озера интервалы времени от 10 до 150 тыс. лет назад. Оказалось, что, используя то же самое отношение уран-234/238, можно не только датировать возраст осадка, но и получить представление о выпадении атмосферной влаги в центре Азии.

Прошло еще некоторое время. В моем институте, будучи еще студентом, появился Евгений Чебыкин, который оказался человеком чрезвычайно редкой природы– высококлассным химиком-аналитиком. В то сумасшедшее время нам удалось приобрести очень дорогой аналитический прибор– квадрупольный масс-спектрометр с плазменным возбуждением, на международном птичьем языке– ИСП-МС. Каким-то образом мне попался в руку проспект этого прибора, рассмотрев который, я понял, что с его помощью можно измерять урановые отношения не по радиоактивности, что очень трудно и очень медленно, а за считанные минуты вместо нескольких суток с помощью той техники, которую применяли Чердынцев и, как ни странно, Эджингтон и Колмэн.

Квадрупольный масс-спектрометр с плазменным возбуждением используется для определения элементного состава вещества в очень низких концентрациях. Для этого пробу (аэрозоль, пар, газ) вводят в источник ионов, состоящий из плазменной горелки и индуктора, создающих с помощью высокочастотного генератора разряд индуктивно связанной плазмы. Анализируемое вещество переходит в состояние плазмы, образующиеся положительные ионы ускоряются электрическим полем и фокусируются в пучок. Далее ускоренные ионы разделяются по массе с помощью квадрупольного масс-анализатора путем изменения потенциала на электродах. Резонирующие ионы попадают в детектор, где генерируют ионный ток, который можно измерить

 

Это было необычно: я не выпрашивал прибор у московских чиновников в надежде потом использовать его как бог на душу положит, я заказал прибор именно для измерения уже навязшего вам в зубах уран-уранового отношения. Как в сказке: сначала родилась идея, и только после этого в лаборатории у нас появился прибор. ИСП-МС будет часто упоминаться ниже по ходу моего рассказа, он позволяет одновременно измерить концентрацию практически всех элементов таблицы Менделеева и настолько чувствителен, что может измерить исчезающе малую концентрацию урана-234.

Чебыкин быстро освоил наш ИСП-МС и, к моему удивлению, все необходимые сложнейшие методики применения уран-уранового датирования. Методом Чердынцева– Чалова уже пользовался весь мир, методики были описаны в литературе, но анализ на ИСП-МС– это исключительно тонкое дело, которое по плечу только аналитикам с большой буквы, отличающимся все как один скверным характером. Такова жизнь.

Эджингтон и Колмэн на всем протяжении 10-метрового керна смогли измерить уран-урановое отношение всего в 4–5 точках, а Чебыкин продатировал керн в точках с шагом в 2 см с разрешением в 200 лет на интервале 10–140 тыс. лет. Анализ керна со столь высоким разрешением было бы совершенно невозможно провести древним радиометрическим методом. Но это присказка, не сказка, сказка будет впереди.

Как-то вскоре в институте совершенно неожиданно появился очень хороший физик. Его, как это у нас водится, прогнали из новосибирского Института химии твердого тела и переработки минерального сырья СО АН СССР за то, что он изобрел оригинальную методику аэродинамического разделения нанометровых промышленных алмазов. Очень скоро он подключился к нашей работе и внес в нее неоценимый вклад. К сожалению, он тоже не так давно ушел от нас и оставил Чебыкина сиротой, бедному даже поговорить не с кем.

 

Освоить и применить сложнейшие методики уран-уранового датирования в Лимнологическом институте удалось благодаря канд. хим. наук Евгению Павловичу Чебыкину (вверху), ныне – старшему научному сотруднику лаборатории биогеохимии ЛИН СО РАН и лаборатории изотопии и геохронологии Института земной коры СО РАН (Иркутск), и канд. физ.-мат. наук Евгению Львовичу Гольдбергу, работавшему в ЛИН с 1994 г., в том числе руководителем лаборатории палеоклиматологии в 2003–2006 гг. С 2005 г. основным местом его работы был Институт археологии и этнографии СО РАН, где он руководил созданием ЦКП «Геохронология кайнозоя». Евгений Львович ушел из жизни в 2011 г.

Евгений Львович Гольдберг очень быстро уточнил модель Чердынцева– Чалова. Уточнение кажется небольшим, но на самом деле именно оно внесло важнейший кирпич в наблюдения уран-урановых гидроизотопных откликов землетрясений. Согласно Гольдбергу, подземные воды, текущие мимо, не выносят неравновесный уран из треков– чтобы его вынести, нужно осадок измельчить. Откуда же могло взяться такое истирание в глубоких подземных горизонтах, где нет ни людей, ни агатовой ступки.

Окончательно доказать свою теорию Гольдберг не успел, но Чебыкин стал работать вместе с очень грамотным геологом Сергеем Рассказовым, знаменитым, в частности, своими исследованиями землетрясений в Институте земной коры СО РАН, также расположенном в иркутском Академгородке. Рассказов оказал огромную помощь уже тем, что ознакомился с упомянутыми выше тонкими радиохимическими и радио­геологическими исследованиями, хотя никогда раньше этими дисциплинами не интересовался.

Недавнее иркутское землетрясение позволило проверить модель Гольдберга профессионально. Рассказов и Чебыкин в течение многих лет упорно проводили гидроизотопный мониторинг в окрестностях Байкала, каким-то образом определили тектоническое состояние и высказали гипотезу о положении эпицентров грядущих землетрясений. Имеющегося на сегодня опыта еще недостаточно, чтобы точно датировать и локализовать предсказанные землетрясения, но ясно видно, что ребята стоят на правильном пути. Об этом подробнее они расскажут вам сами.

Поэтому я даю слово Сергею Рассказову. Уверяю вас, что это– прорывное достижение уровнем гораздо выше мирового. Путь к точному прогнозу землетрясений открыт, лет через десять, я думаю, он будет пройден.

Малое Море Байкала. © CC BY 2.0/ Michael Ravodin

 

Обычно сейсмологи только руками разводят: «опять случилось сильное землетрясение», – и описывают его последствия. Предсказания землетрясений редки, но в мировой практике известны. Насчитывается более 600 предвестников сильных землетрясений, но они, как правило, не постоянны. Предвестники могут предупредить об одной надвигающейся катастрофе, но оказаться бесполезными в предупреждении другой. Причинно-следственные связи различных возникающих эффектов при подготовке землетрясений остаются за кадром.

Пункты гидрогеохимического опробования подземных вод расположены на Култукском сейсмопрогностическом полигоне на юго-западной оконечности оз. Байкал. Это место выбрано неслучайно, так как здесь сочленяются крупные сейсмоактивные разломы: Обручевский и Бортовой, ограничивающие Южно-Байкальскую впадину с севера и юга. Здесь же расположена и фрагментарно активизированная главная саянская шовная граница между Сибирским палеоконтинентом и присоединенными к нему геологическими блоками

 

В. В.Чердынцев и П. И.Чалов теоретически обосновали эффект возрастания отношений активностей урана234 и урана238 (ОА4/8) в циркулирующих подземных водах в результате сейсмогенных деформаций коры. В 1970-х гг. Чалов организовал мониторинг ОА4/8 (как, впрочем, и других изотопных показателей) в подземных водах Северного Тянь-Шаня, но по иронии судьбы за 1,5 года на территории работ не случилось ни одного землетрясения. Не повезло.

Мы делаем то, что в свое время не удалось Чалову. Для измерения ОА4/8 методом альфа-счета в 1970-х гг. им нужно было сорбировать достаточное для измерений количество урана. При низких содержаниях урана в пресных водах они использовали до 300 л воды, сорбируя уран активированным углем. Сейчас для точных измерений широкого спектра элементов методом ИСП-МС нам требуется всего лишь 2 мл воды, а для измерения ОА4/8 выделяем уран из воды полулитровой пластиковой бутылки.

В соотношениях концентраций и изотопного отношения урана в поверхностных и подземных водах на Култукском сейсмопрогностическом полигоне можно выделить три основных тренда, которые зависят от характера водного стока и наличия деформаций в породах, вызванных смещением блоков: а – преобладает поверхностный сток; грунтовые (близповерхностные) воды могут примешиваться к поверхностным; б – смешение компонентов поверхностного стока и активной деформационной зоны; в – смешение компонентов деформационной зоны (1), в том числе совместно с компонентами поверхностного стока (2) и окисленных грунтовых вод (3). Для мониторинга на Култукском полигоне выбираются станции с наиболее высокими значениями OA4/8 подземных вод из зон максимальных сейсмогенных деформаций

 

Для организации сейсмопрогностического полигона мы выбрали самую чувствительную (в геологическом отношении) к землетрясениям территорию на западном окончании Южного Байкала в пос. Култук. А перед этим отобрали пробы воды из 43 родников и скважин поселка, чтобы определить и выбрать шесть станций для постоянных наблюдений в разных сейсмически активных разломах. За 8 лет мониторинга мы набрались опыта регистрации откликов концентраций урана и ОА4/8 на подготовку слабых и сильных землетрясений Южного Байкала и к 2020г. подошли к отслеживанию возможных сейсмических сценариев.

Сильным землетрясениям на Южном Байкале в 2020 г. предшествовала слабая сейсмическая активность, «мигрировавшая» в 2015–2017 гг. вдоль линии Голоустное – Мурино. 10 ноября 2017 г. она сменилась сейсмическим затишьем, пока 6 июля 2020 г. на юго-западном окончании этой линии не случилось землетрясение с энергетическим классом К = 12,3 (максимально возможные значения этого параметра равны 18–20). Позже за этим событием последовали более сильные землетрясения. По данным Байкальского филиала Единой геофизической службы СО РАН (Иркутск)

 

В 2020г., после 2,5 лет сейсмического затишья на Южном Байкале, в конце марта на Култукском полигоне появились первые гидроизотопные признаки деформационной нестабильности. Ощутимый сейсмический толчок произошел в акватории озера только через три месяца– 6 июля, а в ночь с 21 на 22 сентября в районе пос. Быстрое случилось более сильное землетрясение. Наблюдения за деформациями в штольне на полигоне в режиме онлайн выявили последнюю, шестидневную стадию подготовки Быстринского землетрясения. Оно запустило сейсмическую нестабильность во всей Южно-Байкальской впадине и отозвалось новым сильным землетрясением 9 декабря в дельте Селенги, рядом с заливом Провал.

Результаты мониторинга отношений активностей ²³4U и ²³8U (ОА4/8) на 27-й станции (вверху), а также других станциях Култукского полигона, расположенного на Южном Байкале, свидетельствуют о длительной подготовке сильного Голоустного землетрясения, случившегося там 5 сентября 2015 г. В течение всего предшествующего года в коре импульсно усиливалось сжатие пород с закрытием микротрещин, о чем говорит снижение показателя ОА4/8. Затем наступила фаза растяжения микротрещин, где стали циркулировать подземные воды. Результат – повышение ОА4/8 с выходом на сейсмоопасное плато на 5–8 месяцев, о чем говорят данные разных станций полигона. Быстринское землетрясение, произошедшее западнее полигона 22 сентября 2020 г., не сопровождалось накоплением и разрядкой упругих напряжений в зоне Обручевского разлома. Однако его отклик зафиксирован на 14-й станции в зоне Главного Саянского разлома. Землетрясения, случившиеся на Среднем Байкале в дельте р. Селенги 9 декабря (Кударинское) и 10 декабря 2020 г., имели отклик в виде возрастания активности 234U в подземных водах 27-й станции и появления гидроизотопных эффектов на других станциях

 

Сейчас прогноз сильных землетрясений на Южном Байкале в среднесрочной (месяцы) и краткосрочной (дни, часы) перспективе становится реальным делом благодаря усилиям сотрудников Института земной коры СО РАН В. В.Ружича, С. А.Борнякова, К. Ж.Семинского, А. М.Ильясовой и других, а также Е. П.Чебыкина из ЛИН СО РАН.

Фото В. Короткоручко

 

В комплексных наблюдениях сейсмогенных деформаций в активных разломах, которые организуются в рамках крупного проекта Минобрнауки России «Фундаментальные основы, методы и технологии цифрового мониторинга и прогнозирования экологической обстановки Байкальской природной территории», важное место занимает мониторинг эффекта Чердынцева– Чалова в подземных водах. Конкретные финальные прогностические выводы зависят от частоты сбора проб на станциях мониторинга и своевременных измерений концентраций урана и OA4/8 в пробах подземных вод.

Литература

Рассказов С. В., Чебыкин Е. П., Ильясова А. М. и др. Разработка Култукского сейсмопрогностического полигона: вариации (234U/238U) и 87Sr/86Sr в подземных водах из активных разломов западного побережья Байкала // Геодинамика и тектонофизика. 2015. Т. 6. № 4. С. 519–554.

Рассказов С. В., Ильясова А. М., Чувашова И. С. и др. Вариации 234U/238U в подземных водах Мондинского полигона как отклики землетрясений на окончании Тункинской долины в Байкальской рифтовой системе // Геодинамика и тектонофизика. 2018. Т. 9. № 4. С. 1217–1234.

Рассказов С. В., Ильясова А. М., Чувашова И. С. и др. Гидрогеохимическая зональность изотопов урана (234U/238U) на юге Сибирского палеоконтинента: роль резервуара Южного Байкала в формировании подземных вод // Геодинамика и тектонофизика. 2020. Т. 11. № 3. С. 632–650.

Семинский К. Ж., Борняков С. А., Добрынина А. А. и др. Быстринское землетрясение в Южном Прибайкалье (21.09.2020 г., MW = 5.4): Основные параметры, признаки подготовки и сопровождающие эффекты // Геология и гео­физика. 2021. Т. 62. № 5. С. 727–743.

Чебыкин Е. П., Рассказов С. В., Воднева Е. Н. и др. Первые результаты мониторинга 234U/238U в водах из активных разломов западного побережья Южного Байкала // ДАН. 2015. Т. 460. № 4. С. 464–467.

Rasskazov S., Ilyasova A., Bornyakov S. et al. Responses of a 234U/238U activity ratio in groundwater to earthquakes of the South Baikal basin, Siberia // Frontiers Earth Sci. 2020. V. 14. P. 711–737.