Сейсмологи можуть визначити, у яких регіонах найімовірніші сильні підземні поштовхи, та оцінити сейсмічну небезпеку на десятиліття вперед. Однак точно передбачити землетрус — завчасно визначити його час, місце і магнітуду — наука досі не може.
Тектонічні плити та окремі блоки порід постійно рухаються, а вздовж розломів накопичується напруження. Проте землетруси зароджуються на глибині у складній і неоднорідній системі, стан якої неможливо повністю виміряти. Сигнали, які вважають можливими провісниками, нерідко виникають без подальшого сильного поштовху, тоді як частина руйнівних землетрусів стається без помітних попереджень.
Сучасні сейсмометри, супутникові спостереження та машинне навчання допомагають точніше фіксувати деформації земної поверхні й аналізувати сейсмічну активність. Системи раннього попередження можуть дати від кількох до десятків секунд, але вони спрацьовують лише після того, як землетрус уже почався.
Explainer пояснює, чому землетруси досі неможливо точно передбачити, що наука все-таки може про них сказати та які заходи справді рятують життя.
Як виникає землетрус
Зовнішня тверда оболонка Землі — літосфера — розділена на тектонічні плити, які зазвичай рухаються на кілька сантиметрів на рік. Більшість землетрусів виникає поблизу меж плит, однак поштовхи трапляються й на розломах усередині них.
Через тертя блоки порід уздовж розлому можуть залишатися зчепленими десятиліттями або навіть століттями, хоча навколишні ділянки продовжують рухатися. У цей час породи поступово деформуються, а в них накопичується пружна енергія.
Коли напруження перевищує міцність порід і силу тертя, блоки раптово зміщуються вздовж розлому. Розрив може швидко зупинитися або поширитися на десятки чи сотні кілометрів. Що більшою є площа розриву і що сильніше зміщуються породи, то більшою зазвичай буде магнітуда землетрусу.
Точка в надрах, де починається розрив, називається гіпоцентром, або осередком землетрусу. Точка на земній поверхні безпосередньо над нею — епіцентром. Унаслідок зміщення порід від зони розриву поширюються сейсмічні хвилі, які спричиняють коливання ґрунту.
Реальні розломи неоднорідні: їхні ділянки відрізняються формою, складом і міцністю порід, можуть містити рідини, а тиск і температура змінюються з глибиною. Одні частини розлому повільно ковзають, інші залишаються заблокованими, а зміщення на одній ділянці змінює напруження на сусідніх. Тому знати, що напруження накопичується, ще не означає знати, коли саме почнеться розрив.
Що означає передбачити землетрус і що наука може зробити насправді
Повноцінне передбачення землетрусу має заздалегідь визначити три параметри: місце, час і магнітуду майбутньої події. Формулювання на кшталт «у цьому сейсмічно активному регіоні протягом найближчих десятиліть може статися сильний землетрус» може бути обґрунтованою оцінкою ризику, але не точним передбаченням.
Сучасна сейсмологія не вміє надійно визначати всі три параметри. Натомість вона може оцінювати довгострокову сейсмічну небезпеку, розраховувати ймовірність афтершоків після сильного поштовху та попереджати про небезпечні коливання, коли землетрус уже почався.
Довгострокова оцінка показує, наскільки ймовірними є сильні землетруси та інтенсивні коливання ґрунту в певному регіоні протягом десятиліть. Для цього вчені досліджують активні розломи, давні й історичні землетруси, рух земної поверхні та властивості ґрунтів. На основі цих даних створюють карти сейсмічної небезпеки, які використовують у будівельних нормах, проєктуванні критичної інфраструктури та підготовці екстрених служб.
Після значного землетрусу сейсмологи можуть розрахувати ймовірність афтершоків упродовж наступних годин, днів, місяців або навіть довшого періоду. Вони оцінюють, скільки нових поштовхів може статися і якою є ймовірність подій різної магнітуди. Наприклад, Геологічна служба США публікує такі прогнози після значних землетрусів і оновлює їх у міру надходження нових даних.
Це статистична оцінка, а не передбачення конкретного афтершоку. Вона не повідомляє, коли і де станеться наступний поштовх, але допомагає оцінити подальшу небезпеку, планувати роботу рятувальників і визначати, як довго службам залишатися в посиленій готовності.
Системи раннього попередження спрацьовують уже після початку землетрусу. Сейсмометри поблизу осередку першими фіксують швидкі P-хвилі. Система на основі цих даних оцінює місце, магнітуду та очікувану інтенсивність коливань і надсилає сигнал у райони, яких сильніші хвилі ще не досягли.
Від кількох до кількох десятків секунд може вистачити, щоб люди встигли захиститися, потяги почали гальмувати, ліфти зупинилися, а промислове обладнання перейшло в безпечний режим. За цим принципом працюють американська система ShakeAlert та система раннього попередження Японського метеорологічного агентства.
Що далі людина перебуває від осередку, то більше часу вона потенційно має, адже електронний сигнал поширюється швидше за сейсмічні хвилі. Однак поблизу епіцентру попередження може надійти одночасно із сильними коливаннями або вже після їх початку. Початкові оцінки також можуть бути неточними, особливо під час дуже великих або складних землетрусів.
Отже, раннє попередження не передбачає землетрус, а лише випереджає небезпечні коливання після того, як розрив уже почався.
Чому землетруси так важко передбачити
Сейсмометри здатні реєструвати навіть дуже слабкі коливання ґрунту, а супутники та наземні станції — вимірювати зміщення земної поверхні. Проте землетруси зароджуються на глибині від кількох до десятків кілометрів. Безпосередньо виміряти напруження, тиск рідин та умови тертя вздовж усього розлому там неможливо.
Лабораторні експерименти показують, що перед руйнуванням зразок породи може поступово деформуватися, а ковзання вздовж тріщини — прискорюватися. Однак невеликий контрольований зразок не відтворює природного розлому завдовжки десятки чи сотні кілометрів. Реальний розлом складається з неоднорідних порід, а тиск, температура, напруження та кількість рідини змінюються вздовж нього і з глибиною.
У 2024 році геофізики Патрісія Мартінес-Гарсон і П’єро Полі проаналізували дані про підготовчі процеси у 33 сейсмічних послідовностях. В одних випадках перед головним поштовхом спостерігали повільне ковзання, серії слабших землетрусів або переміщення сейсмічної активності, в інших помітних підготовчих процесів не виявили. Дослідники дійшли висновку, що підготовка землетрусів може поєднувати кілька фізичних механізмів, які діють у різних просторових і часових масштабах. Тому описати всі землетруси за допомогою однієї універсальної моделі неможливо.
Навіть форшок можна впевнено назвати форшоком лише після того, як поблизу станеться сильніший землетрус. На початку розриву зазвичай неможливо визначити, чи він швидко зупиниться, чи пошириться далі і спричинить значно сильнішу подію. За оцінкою Геологічної служби США, у середньому лише приблизно 5% землетрусів супроводжуються сильнішим поштовхом поблизу протягом наступного тижня.
Інші можливі провісники також нерідко виникають без подальшого сильного землетрусу, а перед багатьма руйнівними подіями помітних попередніх сигналів узагалі не фіксують. Тому жодна відома ознака поки не дає змоги надійно визначити місце, час і магнітуду майбутнього землетрусу.
Які явища вважають можливими провісниками землетрусів
Найочевиднішими можливими провісниками вважають форшоки — слабші землетруси, які відбуваються поблизу майбутньої зони розриву перед головним поштовхом. Однак заздалегідь відрізнити форшок від звичайного землетрусу неможливо. Більшість слабких поштовхів не супроводжується сильнішою подією поблизу, а деякі великі землетруси починаються без помітної попередньої сейсмічності.
Учені також стежать за повільним ковзанням уздовж розломів і деформацією земної поверхні, які можна фіксувати за допомогою GPS-станцій, тензометрів і супутникової радарної зйомки. Такі процеси спостерігали перед окремими землетрусами, але вони можуть відбуватися і без подальшого сильного поштовху або залишатися надто слабкими для виявлення.
Ще один напрям досліджень — зміни рівня, температури та хімічного складу підземних вод. У 2024 році геохімік Аласдер Скелтон і його колеги опублікували результати 14-річних спостережень за артезіанською свердловиною в Ісландії. Аналіз змін хімічного та ізотопного складу води показав, що в 2014–2023 роках метод ретроспективно міг би виявити сигнал за чотири–шість місяців до однієї з трьох сейсмічних послідовностей магнітудою від 5. Дві інші події він не виявив.
Автори наголосили, що аналіз проводили вже після землетрусів, тому він не був справжнім прогнозом. Запропонований метод прив’язаний до конкретної свердловини, ґрунтується лише на кількох подіях і потребує перевірки в реальному часі та в інших регіонах.
До можливих геохімічних сигналів належать і зміни концентрації радону. Деформація та утворення тріщин у породах теоретично можуть полегшувати вихід цього радіоактивного газу. Однак на його рівень також впливають температура, атмосферний тиск, вологість, опади та рух підземних вод. Електричні й магнітні аномалії так само складно відрізнити від атмосферних явищ, природних коливань магнітного поля та техногенних перешкод.
Повідомлення про незвичайну поведінку тварин відомі ще з античності. Тварини справді можуть бути чутливішими до слабких коливань або звуків, які люди ще не помічають. Проте в такому разі землетрус уже почався. Відтворюваного зв’язку між певною поведінкою тварин і землетрусом, який лише має статися, науковці не встановили.
Проблема всіх можливих провісників однакова: після землетрусу аномалію порівняно легко знайти в попередніх даних, але в реальному часі важко відрізнити початок небезпечного процесу від звичайних коливань. Схожі сигнали можуть виникати без подальшого землетрусу, а сильний поштовх — статися без них. Тому жоден із цих можливих провісників поки не став надійним методом передбачення землетрусів.
Чи вдавалося передбачити землетрус
Найвідомішим випадком завчасної евакуації перед сильним землетрусом став землетрус поблизу китайського міста Хайчен 4 лютого 1975 року. У регіоні повідомляли про різні аномалії, однак вирішальним сигналом стала серія форшоків, активність яких різко посилилася незадовго до головного поштовху. Місцева влада наказала частині населення залишити будинки. Того ж вечора землетрус магнітудою 7,3 зруйнував або серйозно пошкодив майже 90% споруд у місті. Евакуація та інші запобіжні заходи врятували багато життів.
У 2006 році геофізик Келін Ван і його колеги реконструювали перебіг подій за китайськими документами та свідченнями учасників. Дослідження показало, що попередній прогноз стосувався великої території та тривалого періоду — до одного-двох років. Єдиного офіційного короткострокового прогнозу, який точно визначав би місце й час землетрусу, не було. До негайних дій місцеву владу спонукала передусім надзвичайно виразна серія форшоків.
На кількість жертв також вплинули час доби, особливості забудови та те, що в різних населених пунктах евакуацію проводили неоднаково. Тому Хайченський землетрус складно вважати результатом одного точного наукового передбачення. Це радше винятковий випадок, коли поєднання попередньої підготовки, місцевих рішень і надзвичайно помітних форшоків дало змогу вчасно вжити заходів.
Хайченський досвід не став універсальною моделлю. Більшість сильних землетрусів не супроводжується настільки виразними форшоками, а сейсмічний рій не обов’язково завершується руйнівним поштовхом. Уже 28 липня 1976 року потужний землетрус зруйнував китайське місто Таншань без такого помітного набору попередніх сигналів і без завчасного попередження. За офіційними даними, загинули понад 242 тисячі людей. Контраст між Хайченом і Таншанем істотно послабив оптимізм щодо передбачення землетрусів за можливими провісниками.
Хайчен показав, що за винятково сприятливих обставин форшоки можуть дати час для рятувальних дій. Але одиничний успіх не доводить надійності методу: він має багаторазово виявляти майбутні землетруси й водночас не спричиняти надмірної кількості хибних тривог.
Чому не можна евакуювати людей за кожного можливого сигналу небезпеки
Більшість слабких поштовхів, змін рівня підземних вод або незначних деформацій земної поверхні не супроводжується руйнівним землетрусом. Сильні землетруси на конкретній території трапляються рідко, тоді як різноманітні геофізичні й геохімічні аномалії реєструють значно частіше.
Якщо встановити низький поріг тривоги, система виявлятиме більше потенційно небезпечних подій, але водночас частіше подаватиме хибні сигнали. Високий поріг зменшить кількість необґрунтованих попереджень, однак збільшить ризик пропустити справді небезпечну подію.
Тому метод передбачення не можна оцінювати за одним або кількома вдалими збігами. Потрібно враховувати, скільки землетрусів він правильно передбачив, скільки пропустив і скільки разів попередив про події, які не сталися. Результативність методу також необхідно перевіряти на нових даних, які не використовували під час його створення.
Евакуація великого міста або його частини потребує перекриття доріг, переміщення пацієнтів і людей з обмеженою мобільністю, залучення екстрених служб та припинення роботи частини установ і підприємств. Саме переміщення великої кількості людей також може спричинити затори, паніку, травми та інші небезпечні ситуації. Серія необґрунтованих попереджень здатна підірвати довіру, через що люди можуть не відреагувати на наступну тривогу.
У 2016 році Маркус Зеттеле та його колеги запропонували загальну систему оцінювання попереджень про природні небезпеки. Вона враховує технічну надійність системи, імовірність правильного виявлення події, пропусків і хибних сигналів, а також наслідки та вартість запобіжних заходів.
Дослідники наголосили, що оптимальний поріг попередженнязалежить не лише від точності системи, а й від співвідношення можливої шкоди та витрат на реагування.
Це не означає, що влада має чекати абсолютної впевненості — у випадку землетрусів її практично неможливо досягти. Рішення мають спиратися на розраховану ймовірність, можливий масштаб наслідків і заздалегідь визначені протоколи. Реагування може бути поетапним: від посиленого спостереження та приведення служб у готовність до обмеження доступу до особливо вразливих об’єктів або евакуації, якщо очікувана користь переважає можливі ризики.
Чи допоможе штучний інтелект передбачати землетруси
Штучний інтелект може аналізувати дані тисяч сейсмічних станцій, супутникові вимірювання та історію поштовхів. Однак обчислювальна потужність не усуває головної проблеми: у даних має існувати стабільна ознака, яка регулярно з’являється перед землетрусами й рідко виникає без них. Поки такої універсальної ознаки не виявили.
Найпереконливіші результати машинне навчання демонструє у виявленні землетрусів, які вже сталися. У 2020 році Мостафа Мусаві та його колеги зі Стенфордського університету представили модель Earthquake Transformer. Під час перевірки на п’яти тижнях записів після землетрусу Тотторі 2000 року в Японії алгоритм виявив і локалізував приблизно вдвічі більше землетрусів, ніж містив стандартний каталог, використавши дані менш ніж третини сейсмічних станцій.
Докладніші каталоги допомагають науковцям вивчати активність розломів і точніше оцінювати ймовірність афтершоків. Нейромережі також можуть пришвидшувати раннє попередження — тобто оцінювати очікувану інтенсивність коливань після початку землетрусу, але до того, як сильні хвилі досягнуть віддалених населених пунктів.
У 2024 році Марісоль Монтеррубіо-Веласко та її колеги описали модель для швидкого створення карт очікуваних коливань у Південній Каліфорнії. Її навчили на великому наборі фізично змодельованих сейсмограм для басейну Лос-Анджелеса. Під час перевірки на п’яти реальних історичних землетрусах модель у низці випадків точніше за традиційні емпіричні методи оцінювала коливання. Однак вона працювала найкраще, коли реальні події відповідали сценаріям із навчального набору.
У лабораторних експериментах алгоритми можуть знаходити в акустичному шумі зміни, пов’язані з наближенням повторного ковзання. Але в лабораторії відомі геометрія розлому, властивості матеріалу та умови навантаження, а цикли ковзання можна багаторазово повторювати. У природі великі землетруси рідкісні, спостереження неповні, а кожен розлом має власну складну будову. Тому модель може добре працювати на знайомому наборі даних і втрачати точність в іншому регіоні або за інших умов.
Ці обмеження визначають і реальні можливості ШІ в сейсмології. Він уже допомагає знаходити слабкі землетруси, опрацьовувати сейсмічні сигнали, складати детальніші каталоги, оцінювати ймовірність афтершоків і пришвидшувати раннє попередження. Але жоден перевірений алгоритм не може надійно назвати час, місце й магнітуду майбутнього сильного землетрусу до його початку.
Що насправді зменшує кількість жертв
Оскільки точний момент землетрусу передбачити неможливо, головний спосіб урятувати людей — заздалегідь зменшити вразливість міст. Наслідки залежать не лише від магнітуди, а й від властивостей ґрунту, щільності забудови, якості споруд і готовності екстрених служб.
Всесвітня організація охорони здоров’я називає обвали будівель однією з основних причин загибелі й травм під час землетрусів. Тому потрібні сучасні будівельні норми та контроль за їх дотриманням. Завдання сейсмостійкого проєктування — не зберегти споруду неушкодженою, а запобігти її раптовому обваленню й захистити людей.
Нових норм недостатньо без обстеження та посилення старих і неналежно перебудованих споруд. Особливої уваги потребують лікарні, школи, мости, пожежні частини, системи водо- й газопостачання, які мають працювати й після поштовхів.
Це підтвердив досвід Непалу. Після землетрусів 2015 року п’ять головних лікарень Катманду залишилися працездатними. ВООЗ пов’язувала це із завчасним посиленням будівель і підготовкою медичної системи.
Забудову потрібно планувати з урахуванням нестійких схилів, можливого розрідження ґрунту, активних розломів і зон затоплення внаслідок цунамі. Зменшити ризик може й раннє попередження. Воно фіксує початок землетрусу та попереджає райони, до яких сильні коливання ще не дійшли. Навіть кількох секунд може вистачити, щоб загальмувати потяги, зупинити ліфти або перевести небезпечне обладнання в безпечний режим.
Під час сильних коливань у приміщенні Геологічна служба США радить опуститися на підлогу, сховатися під міцним столом і триматися за нього. Не варто вибігати надвір, поки будинок хитається: травмувати можуть скло, уламки фасаду та предмети, що падають. На вулиці потрібно відійти подалі від будівель і ліній електропередач.
Міста мають заздалегідь визначити маршрути евакуації, резервні канали зв’язку, місця розміщення постраждалих і порядок перевірки будівель. Лікарням та екстреним службам потрібні запаси, автономне живлення й плани роботи за масового надходження травмованих.
Землетрус стає катастрофою не лише через силу поштовхів. Вирішальними часто виявляються якість будівель, планування міст і готовність лікарень та екстрених служб. Саме завчасна підготовка допомагає зменшити кількість жертв.
