CC BY
94
УДК 550.3.01;614.8
СИЛЬНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГЕОСФЕРУ КАК ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ А.В. Николаев, член-корр. РАН, д.ф.-м.н., проф.; А.Д. Жигалин, к.г.-м.н., с.н.с.;
Э.Г. Мирмович, к.ф-м.н., доц.
В работе рассматривается одна из самых актуальных научных проблем - реакция системы на сильное воздействие геосферы. Сильные искусственные воздействия на геосферу и её составную часть - литосферу в частности, способны существенным образом изменять общую геоэкологическую обстановку на значительной территории, что может влиять на возникновение и развитие чрезвычайных ситуаций.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: искусственные воздействия, ядерные испытания, взрывы, откачка, накопление
STRONG INFLUENCE UPON GEOSPHERE AS A POTENTIAL SOURCE OF EMERGENCIES А..V. Nikolaev, A.D. Zhigalin, E.G. Mirmovich
The article concerns one of the main actual scientific problems - reaction of the system at a strong influence on the geosphere. A strong artificial influence on the geosphere and on its component lithosphere in particular, is capable of changing the geo- and ecological situation on a considerable territory and becoming a reason for emergencies.
В настоящее время одной из самых актуальных научных проблем становится реакция системы на сильное воздействие на геосферу. Оно может иметь естественное и искусственное происхождение. Искусственные воздействия подразделяются на длительное техногенное и локализовано-сильное воздействие, связанное с понятием геофизического оружия стратегического характера.
Литосфера и ее освоенная человеком верхняя часть - геологическая среда - представляют собой геологическую основу жизни на Земле. Сильные искусственные воздействия на литосферу при определенном, неординарном, сочетании геофизических условий способны изменять, иногда существенным образом, общую геоэкологическую обстановку на значительной территории. Это следует иметь в виду при оценке вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций как следствие сильных воздействий на литосферу. Под неординарными геофизическими условиями в данном контексте следует понимать такую ситуацию, при которой интегральные параметры наблюдаемых природных и техногенных геофизических полей выходят за пределы эволюционно сбалансированных природой уровней энергии.
Современная глубоко технократическая цивилизация располагает большим суммарным потенциалом энергии, потребляя в течение суток 1018 Дж энергии. Если сопоставить это количество с энергией электромагнитного излучения, которая ежесуточно приходит от Солнца (1,73 1022 Дж), то становится ясно, что до энергетических возможностей Природы человеку уже не так далеко. К тому же ясно, что человек благодаря современным технологиям способен запасать большое количество энергии и в нужное время эту энергию использовать. В табл. 1 приведены энергетические характеристики некоторых природных процессов и техногенных источников. При сопоставлении энергетических параметров, характеризующих природные процессы (диапазон от 106 до 1032 Дж), и возможностей человечества на современном уровне технологий (до 1018 Дж) становится очевидной техногенная уязвимость литосферы.
Энергия, приходящая на Землю от Солнца за сутки (табл. 1) не уступает энергии ударов космических тел, энергия ядерных взрывов практически не уступает силам природы при землетрясениях, смерчах, ураганах и других стихийных бедствиях. Сопоставимы энергии обрушения горных пород над горными выработками и при взрывах топливопроводов. Эти обстоятельства показывают, что в настоящий момент времени как природные силы, так и деятельность человека могут в равной степени служить фактором существенного физического (энергетического) воздействия на литосферу.
В случае необходимости энергия может использоваться, например, для воздействия на горные породы для придания им некоторых необходимых свойств или для изменения общего состояния массивов горных пород. Конечной целью такого воздействия является упрочнение пород и повышение их несущей способности, что необходимо в строительном деле, или, наоборот, дробление, разрушение и перемещение их для облегчения манипуляций при проходке тоннелей, создании плотин, горных выработок и добыче полезных ископаемых.
Отдельного рассмотрения требует научная проблема мгновенных непосредственных, каскадных опосредованных и неизмеримо отдаленных последствий экологического характера, вызванных массированными ядерными взрывами в случае регионально-глобального военного конфликта. Отметим, что она была лишь обозначена априорными представлениями и условными численными моделями в цикле работ 80-х годов ХХ века исследовательских групп Римского клуба [3], Н.Н. Моисеева и В.В. Александрова и др.
Таблица 1
Сопоставление энергетических характеристик природных и техногенных источников
Природные источники энергии Энергия, Дж Энергия, Дж Техногенные источники энергии
Электромагнитная энергия Солнца, приходящая на Землю (за сутки) 1022
Удары космических тел 1017-1023
Землетрясения 1010-1018 1014-1018 Ядерные взрывы
Смерчи, торнадо, ураганы (тайфуны) 107-1017 1016 Обрушение горных выработок
1012 Старты тяжелых космических кораблей
Обрушение склонов, лавины, образование карстовых провалов 106-1010 109-1011 Взрывы на топливопроводах
109 Работа экспериментальных МГД-генераторов
В большинстве случаев эффективность получаемого результата напрямую зависит от силы оказываемого воздействия, что стимулирует постоянное увеличение энергетического потенциала для расширения возможностей при реализации такого воздействия. Следует в этой связи заметить, что оказываемое в технологических целях воздействие на литосферу, как правило, достаточно локализовано (если это не промышленные ядерные взрывы), не является особо сильным, и поэтому его последствия не затрагивают значительного по объёму геологического пространства.
В табл. 2 делается попытка ранжирования уровня воздействия на литосферу с указанием вида и энергии воздействия и его геологических и геоэкологических последствий. Ощутимая реакция горных массивов в виде обширных экзогенных и эндогенных процессов, носящих зачастую катастрофический характер, возможна при искусственном воздействии, энергия которого превышает 108-1010 Дж. Такое воздействие следует квалифицировать как сильное или опасное.
Энергия указанной величины выделяется при подрывах ядерных зарядов или химических взрывах большой мощности, при крупных авариях на топливопроводах, при запусках больших космических кораблей и др. Так, например, практически половина (коэффициент корреляции К = 0,47) запусков тяжелых ракет и космических кораблей в США приводит к повышению сейсмической активности в районах Центральной и Северной Америки (Калифорния и Аляска) (рис. 1).
Технологии с использованием искусственного физического воздействия на верхние слои литосферы открывают возможность изучать геологическое строение посредством сейсмической томографии земных недр, осуществлять мелиорацию грунтов с целью улучшения их инженерных свойств, увеличивать добычу углеводородного сырья, управлять сейсмичностью на региональном уровне, «разменивать» разрушительные и катастрофические землетрясения на более слабые, не приводящие к значительному ущербу и не уносящие человеческие жизни. К негативным эффектам сильного воздействия на литосферу следует относить вероятность индуцирования землетрясений в сейсмически активных и асейсмичных областях, возможность использования ударных воздействий на литосферу в военных целях, влияние микросейсм и виброколебаний на инженерные сооружения, а также воздействие сильных полей вибрации на биологические объекты (в том числе человека). Это говорит о том, что геофизические технологии уже можно относить к категории так называемых «двойных технологий», используемых как в мирных, так и в военных целях.
Ядерные и химические взрывы, а также аварийные ситуации, сопровождаемые взрывами, представляют собой мощные техногенные генераторы механического (ударного) воздействия на верхние слои литосферы. В то же время обнаружение феномена снижения до полного прекращения сейсмической активности в действующем очаге при воздействии на него сигнала удалённого катаст-
рофического землетрясения реально подтверждает возможность нахождения надежных способов управления сейсмической активностью с целью предотвращения стихийных чрезвычайных ситуаций.
Геофизические исследования, проводившиеся при испытаниях оружия большой разрушительной силы или при осуществлении мощных промышленных взрывов, а также других экспериментов, показали, что существует энергетический порог, за которым оказываемое на верхнюю часть земной коры воздействие может вызывать реакцию массивов горных пород, сходную по проявлению с тектоническими землетрясениями.
Центральная Америка
д.
ппрт
-М -20 -70
Калифорния
п ,_тл
° 70
20 сут
Аляска
П
I]_Д}_1Ц_Ы зДл П ГМрГ!^, Г1
-20 -70 0 ~~Ю 20
е„, сут
-00 -20 -70
20 М «т^суш
Рис. 1. Усиление сейсмичности в связи с запусками тяжелых ракет и космических кораблей [1]
Эксперименты по воздействию на литосферу показывают, что можно влиять на режим сейсмичности, снижая риск катастрофических сейсмических событий или, наоборот, провоцируя так называемые техногенные землетрясения. Это явление известно как наведенная сейсмичность. Наведенная сейсмичность выражается в уменьшении временных интервалов между отдельными подземными толчками в сейсмически активных зонах, или в возникновении землетрясений в сейсмически мало активных регионах. Во второй половине ХХ столетия после начала испытаний ядерного оружия обнаружилось, что, с одной стороны, такие испытания инициируют землетрясения с магнитудой М = 34, а, с другой стороны, существенно уменьшают вероятность землетрясений с большей магнитудой.
В этом контексте интерес представляют данные, приводимые на рис. 2. Так, анализ временного распределения землетрясений, зарегистрированных в прошлом ХХ в. (рис. 2А) показал, что в период проведения ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне на планете не регистрировались катастрофические землетрясения с магнитудой М > 6,3-6,5, образуя своего рода «окно» в вековом временном распределении землетрясений (рис. 2Б). В то же время за пределами указанного интервала времени, продолжавшегося с середины 60-х до конца 80-х гг., за столетний период наблюдалось большое число сильных и катастрофических землетрясений с магнитудой М > 8,3 (рис. 2В).
Этот феномен можно объяснить тем, что сотрясения Земли, сопутствующие подземным испытаниям, по всей вероятности «разгружали» напряжения в массиве горных пород, снижая вероятность (степень опасности) проявления сильных и катастрофических землетрясений. В результате и появилась идея «размена» сильных землетрясений и одновременно ... возник фантом тектонической, или геофизической, войны.
Призрак геофизических (тектонических) войн стал обретать реальные очертания на рубеже XX и XXI вв. Это показал анализ тектонических последствий так называемых «массированных сосредоточенных ударов», практикуемых в ходе локальных военных конфликтов и реализованных сначала в Югославии (1999 г.), затем в Афганистане, Ираке и Южной Осетии (2001, 2003, 2008 гг.). Сейсмические наблюдения показали, что после массированных бомбардировок территорий в указанных странах в первые дни и по прошествии 4,5-6 месяцев в соответствующих регионах на расстояниях до 1500 км от мест наиболее сильных ударов (воздействия на литосферу) были зарегистрированы
многочисленные землетрясения. Средняя величина отношения числа землетрясений после бомбардировок (постбомбардировочные землетрясения) к числу землетрясений за такой же период, предшествующий бомбардировкам (коэффициент воздействия Квозд), составляет примерно 1,6. При этом наблюдалось увеличение числа землетрясений с магнитудой М > 5-7. Для Ирака и Южной Осетии аналогичные данные для Ирака и Южной Осетии - 1,81 и 1,71, соответственно (табл. 3).
Таблица 2
Энергетических характеристики природных и техногенных источников воздействия на литосферу и последствия этого воздействия
Уровень Природные и техногенные Энергия Геодинами- Характеристика
воздействия физические процессы воздейст- ческие призна- последствий
(источники воздействия) вия, Дж ки воздействия
природные техногенные
Низкий ветер, движущийся До 106 особые геоди- Наблюдаемые из-
умеренная легковой авто- намические менения не выхо-
прибойная мобиль признаки от- дят за рамки есте-
волна сутствуют ственных и не приводят к заметным нарушениям сложившихся геоэкологических условий
Умеренный обрушение движущийся 106-108 проявления Наблюдаются из-
породы при пере- трамвай, экзогенных менения окру-
работке берегов движущийся грузовой автомобиль геологических процессов жающей среды и геоэкологических условий, выходящие за рамки фоновых, но не требующие проведения специальных мероприятий
Высокий сильный ветер, взрыв на топ- 108-1010 обширные Изменения гео-
обрушение породы ливопроводе, проявления эк- экологической об-
при образовании эксперимен- зогенных гео- становки требуют
подземных тальные пуски логических специальных ме-
полостей МГД-генерато-ров процессов роприятий для предотвращения или уменьшения негативных последствий
Опасный землетрясения, ядерный взрыв, 1010-1018 обширные разрушительные и
извержения старт тяжелого проявления эк- катастрофические
вулканов, космического зогенных и изменения в ок-
торнадо, корабля проявления ружающей среде,
тайфуны эндогенных геологических процессов сопровождаемые гибелью людей и значительным материальным ущербом
На рис. 3 представлено распределение числа сейсмических событий в Южной Осетии (в пределах окружности радиусом 1500 км с центром в г. Цхинвал) с мая по 8 августа 2008 г. (начала боевых действий в Южной Осетии) и далее по октябрь месяц того же года. Данные по сейсмическим событиям в указанном интервале 2008 г. были дополнены сведениями о регистрации землетрясений в этом же регионе за тот же период в 2006 и 2007 гг. Существенно меньшая по сравнению с данными 2008 г. величина соотношения числа землетрясений до и после 8 августа в 2006 и 2007 гг. убеждает в том, что причиной увеличения землетрясений в течение трех месяцев после событий 8 августа 2008 г. являются именно бомбовые, артиллерийские и ракетные удары (искусственное усиленное воздействие на литосферу). Лукавые попытки спрятаться за якобы «прицельные, точечные и др.» виды масси-
рованных артиллерийских, ракетных и бомбовых ударов не должны вводить в заблуждение по поводу того, что такого рода сильное воздействие на литосферу может при определенных геофизических условиях вызвать ее отклик в виде усиления сейсмичности в течение длительного периода времени. А это означает новые разрушения и человеческие жертвы от индуцированных боевыми действиями сильных землетрясений.
М
9
01.01.1900 01.<м.Ю 01 01- 3 0 0 1.0 1.30 01.0 1 40 0 1,0 1.60 0 1,01 «О 0 1.0 1.7 0 0 1.0 1.90 01.01.1990
А Землетрясения с магнитудой М > 6,5 за период с 1900 по 1997 гг.
М
1.1900 01.01.1990
М
9
0.5 -
8
7,5
7 •
6.5
6 .
5 5 -
01.01.1900 01.01.1990
В Землетрясения с магнитудой М > 8,3 за период с 1900 по 1997 гг.
Рис. 2. Влияние подземных ядерных испытаний на характер сейсмической активности [2]
Анализ техногенных сейсмопроявлений показывает, что при откачке нефти из продуктивных пластов на месторождениях сильные сейсмопроявления наблюдаются через 15-30 лет (Газли, 1976, 1984 гг., Нефтегорск, 1995 г.); последствия сосредоточенных массированных бомбардировок проявляются в виде землетрясений сразу и по прошествии 4,5-6 месяцев; подземные ядерные взрывы вызывают землетрясения на расстояниях до 1000-1500 км через 10-15 дней после испытания; работа экспериментальных магнитогазодинамических генераторов (МГД-генераторов) вызывает сейсмопро-явления на расстоянии до 50 км от места работы установки на 2-3 день после начала работы.
Б Подземные ядерные испытания на Семипалатинском полигоне, магнитуда землетрясений М < 6.2
Таблица 3
Сопоставление числа землетрясений до и после бомбардировок во время вооруженных конфликтов в Иране (2003 г.) и Южной Осетии (2008 г.)
Регион и временной интервал Магнитуда Глубина очага Н, км
М < 4 4 < М < 5 M > 5 Н < 33 33 < Н < 120 Н > 120
Ирак до бомбардировок 40 26 4 52 13 5
После бомбардировок 67 (1,68)* 48 (1,85) 12 (3,0/1,81) 94 (1,81) 23 (1,77) 10 (2,0)
Южная Осетия до бомбардировок 10 25 3 33 4 —
После бомбардировок 21 (2,10) 41 (1,64) 3 (1,0/1,71) 62 (1,88) 3 (0,75) —
* Отношение числа постбомбардировочных землетрясений к числу землетрясений за такой же предшествующий период времени (Квзд); в знаменателе в третьем столбце показаны средние величины Квзд
Число
землетрясений
?008 г.
8 августа 2008 г.
10
I ^ ч 11 .'Ы!.и.миЦЦцц-Ь
8 13 28 7 17 27 7 17 27 6
квозд_1,71 _
16 26 5 15 25 5 15 25 4
10 1 2001 г.
квозд-1д4
■ь ■ ■!■ ■ III I
1||ц, |1и1| \\\\\ки
8 18 28 7 17 27 7 17 27
18 28 5 15 25 5 15 25 4
10 8 6 4 2 О
2006 г.
квозд _1,05 ■
I ■!■ ■!■■■■■ I ■■■! ■!....... ■ ■ !■ |НЦ| I 1|У|щ
18 28 7 17 27 7 17 27 6
16 26 5 15 25 5 15 25 4
Рис. 3. Сопоставление числа землетрясений в течение трехмесячного периода времени до и после бомбардировок в августе 2008 г. в Южной Осетии в сравнении с временным распределением сейсмической активности в аналогичных условиях в 2006 и 2007 гг.
Приведенную последовательность можно рассматривать как энергетический ряд, показывающий пространственно-временные характеристики (параметры) отклика литосферы на оказываемое на нее воздействие [3 - 5]. Эффекты наведенной сейсмичности выражаются в усилении интенсивности землетрясений, уменьшении интервалов между ними, в возникновении землетрясений в т.н. «зеленых» зонах, что интенсифицирует геосферные источники чрезвычайных ситуаций [6].
Из-за этого при прогнозировании возможны ошибки в оценках возможности возникновения и интенсивности процессов, приводящие иногда к катастрофическим последствиям. Это произошло, например, при определении исходной сейсмичности районов Спитакского (1988), Нефтегорского (1995) и некоторых других землетрясений на территории бывшего СССР.
Наведенная сейсмичность возникает вблизи водохранилищ, что в случае Балаковской АЭС, интенсивность приращения сейсмичности может составлять до 1,5 балла. На территории каждой АЭС расположены специальные пеналы с жидкими отработанными отходами, которые хранятся в течение 10 - 15 лет.
Появление технологий с элементами искусственного энергетического воздействия на литосферу представляет собой продолжение непродуманного антиэкологического развития технократической цивилизации с усилением влияния на среду обитания и природные экосистемы, поэтому следует обращать больше внимания на экологические аспекты, соотнося эту деятельность с адаптационными возможностями окружающего пространства - среды нашего обитания.
Только Москва в течение года, например, производит в среднем 2,21017 Дж энергии, что соответствует реализации мощности в 7,2103 МВт. Это превышает мощность Братской ГЭС (4103 МВт) и сопоставимо с мощностью Красноярской (6103 МВт). Опасность вызывает неконтролируемый рост веса мегаполисов, расположенных на подобных Москве и Киеву карстово-активных литосферных площадках, принятое соответствие между магнитудой источника и силой воздействия для которых не выполняется. По результатам многочисленных геодезических измерений установлено, что происходит опускание в Москве и Московской области до 3 мм/год, а на юго-востоке от Московской области происходит подъём земной поверхности.
Не учитываются в оценке и прогнозировании этих опасностей углеводородные загрязнения от мест массового складирования и хранения ГСМ, сильное и длительное геохимическое воздействие хвостохранилищ горно-обогатительных комбинатов, нарастающего числа и объёмов захоронений РАО. Верхняя часть литосферы и вся геосфера в целом подвергается также и другим, химико-органическим воздействиям, могущим в определённых условиях считаться также сильным. В год из недр литосферы, например, извлекается свыше 700 млн. тонн нефти разных фракций. 70% из них возвращается в окружающую среду в качестве отходов или в виде разливов и утечек в подповерхностные слои [7]. Нельзя игнорировать и это сильное воздействие на литосферу.
Литература
1. Рыбников С.И. Влияние запусков крупнейших ракетных комплексов на образование сильных землетрясений / Наведенная сейсмичность. М.: Наука, 1994. - С. 92-102.
2. Тарасов Н.Т., Тарасова Н.В., Авагимов А.А., Зейгарник В.А. Воздействие мощных электромагнитных импульсов на сейсмичность // Вулканология и сейсмология, 1999. № 4-5. - С. 152-160.
3. Мирмович Э.Г., Коновко А.В. Бифуркационные состояния биосферы и фундаментальность степенных моделей природных процессов. Матер. XIX Междунар. научно-практич. конф. НПС, 7 апреля 2009 года / Химки: АГЗ МЧС России. Часть 3. - 2009. - С. 5-19.
4. Жигалин А.Д., Николаев А.В. Катастрофические последствия сильных воздействий на литосферу // Геоэкология. № 2, Март-Апрель, 2005. - С. 111-117.
5. Жигалин А.Д., Николаев А.В. Отклик литосферы на сильные воздействия / Матер. XX Междунар. научно-практич. конф. научно-педаг. состава и обучающихся. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. СПАСЕНИЕ. ПОМОЩЬ (современность и инновации). 7 апреля 2009 года. - Химки: АГЗ МЧС России. Часть 1, 2010. - С. 10-15.
6. Жигалин А.Д., Мирмович Э.Г. Николаев А.В. Сильные воздействия на литосферу (экологический аспект) / В сб.: Чрезвычайные ситуации: теория, практика, инновации. Матер. Междун. научно-практ. конф. 2728 мая 2010 г. Ч. 1. - Гомель: ГИИ. - С. 92-94.
7. Мирмович Э.Г. Геосферные источники чрезвычайных ситуаций / В кн.: Междун. научно-практ. конференция «Предупреждение и прогнозирование чрезвычайных ситуаций». М.: Антистихия, 2009. - С. 75-78.
8. Мирмович Э.Г. О загрязнении геосферы углеводородами / В сб.: Чрезвычайные ситуации: теория, практика, инновации. Матер. Междун. научно-практ. конф. 27-28 мая 2010 г. Ч. 1. - Гомель: ГИИ. - С. 149-150.
