Prof. Piotr Senatorski: Patrzmy na trzęsienia jak na element naturalnego procesu kształtującego Ziemię
Teraz przewiduje się, że trzęsienie ziemi może wystąpić w okolicy Stambułu, po pierwsze dlatego, że jest tam luka sejsmiczna; od dawna nie było tam poślizgu. Po drugie, to miejsce jest w stanie niestabilnym, że niewielka zmiana naprężeń może spowodować poślizg na uskoku, a zatem silne trzęsienie ziemi – mówi prof. Piotr Senatorski z Instytutu Geofizyki Polskiej Akademii Nauk.
Skąd biorą się trzęsienia ziemi?
Trzęsienia ziemi wywołuje przesuwanie się płyt tektonicznych, które składają się na skorupę ziemską. Kiedy poruszają się względem siebie, gromadzą się naprężenia, które w pewnym momencie muszą zostać uwolnione. Następuje wówczas poślizg między płytami. Trzęsienie ziemi to właśnie nagły poślizg na granicy między płytami tektonicznymi, albo na uskokach.
Dlaczego w ogóle płyty tektoniczne się przesuwają?
Mówi o tym teoria tektoniki płyt, którą opracowano w latach 60 ubiegłego wieku. To kwestia budowy Ziemi, konwekcji w płaszczu Ziemi. Ruch płyt związany jest właśnie z tą konwekcją. Ziemia jest dynamiczna, w jednych miejscach, tak zwanych strefach subdukcji, płyta oceaniczna wciska się pod płytę kontynentalną, jak w przypadku Japonii czy Chile; w przypadku Himalajów płyta indyjska wsuwa się pod Tybet. W przypadku Kalifornii dwie płyty przesuwają się względem siebie w poziomie – to płyta północnoamerykańska i płyta pacyficzna. W przypadku Turcji sprawa jest bardziej skomplikowana, bo położona jest ona w miejscu gdzie styka się ze sobą kilka płyt. To płyty: arabska i afrykańska od południa, od północy euroazjatycka, a w środku jest mała płyta anatolijska, na której leży prawie cała Turcja, i to ona jest niejako „maltretowana” przez te większe płyty.
Można więc powiedzieć, że miejsca zagrożone trzęsieniami ziemi znajdują się zwykle na styku płyt tektonicznych?
Przede wszystkim. Trzęsienia ziemi występują również na uskokach wewnątrz płyt tektonicznych, ale generalnie, kiedy spojrzymy na mapę z zaznaczonymi epicentrami silnych trzęsień ziemi na kuli ziemskiej, to miejsca tych epicentrów wyznaczają granice płyt tektonicznych.
Czy przy ostatnim trzęsieniu ziemi, które miało miejsce 6 lutego w Turcji i Syrii było coś zaskakującego z punktu widzenia sejsmologii? Czy zaskakująca była intensywność trzęsienia, a może to, że pojawiła się potężna szczelina?
Każde tak silne trzęsienie ziemi uczy nas czegoś nowego. Ale w tej chwili myślę, że nic zaskakującego się nie pojawiło. Zajrzałem do artykułu z 2016 roku, w którym autorzy dokładnie wskazywali, że w tym miejscu może wystąpić trzęsienie ziemi o magnitudzie 7,7. Magnituda wyniosła 7,8. Wszystko to odbyło się na segmencie uskoku wschodnioanatolijskiego, który jest granicą między płytą arabską a płytą anatolijską. To tak zwany uskok przesuwczy, podobny do uskoku San Andreas w Kalifornii. Płyty przesuwają się względem siebie poziomo w tempie mniej więcej centymetr na rok, co wiadomo z pomiarów geodezyjnych. Kiedy się przesuwają, a uskok jest sklejony, wokół uskoku rosną naprężenia, które co jakiś czas muszą zostać uwolnione poprzez poślizg.
Silne trzęsienia ziemi występowały na segmentach uskoku wschodnioanatolijskiego 150-200 lat temu, ale akurat na tym fragmencie uskoku, na którym teraz nastąpiło trzęsienie, wcześniej takie trzęsienie wystąpiło około 500 lat temu. Jeśli uskok w tym miejscu był sklejony przez ten czas, a względny ruch płyt wynosił centymetr na rok, to uproszczone obliczenia wskazują, że możliwy był tam pięciometrowy poślizg. W rzeczywistości oszacowany maksymalny poślizg podczas trzęsienia wyniósł ponad trzy metry. A zatem to wszystko się dość dokładnie, mimo uproszczeń, zgadza. W 2020 roku miało miejsce trzęsienie ziemi o magnitudzie 6,8. A we wspomnianym artykule wskazano, iż można się tam spodziewać wstrząsu o magnitudzie 7,4. Tak że te trzęsienia ziemi nie były zaskakujące. Ale, z drugiej strony, gdyby wystąpiły, powiedzmy, 10 czy 30 lat później, to też nie powinniśmy być zaskoczeni…
Mimo że było wiadome i spodziewane, to jednak było to trzęsienie nagłe i nieprzewidywalne. Dlaczego nie potrafimy przewidzieć, kiedy się zdarzą?
Kiedy patrzę dziś na mapy trzęsień ziemi i na najprostsze dane, to dla mnie jest oczywiste, że w tym miejscu takie trzęsienie mogło wystąpić. Natomiast oczywiście mądry jestem po fakcie. Ponieważ można powiedzieć, że w tym miejscu jest potencjał na takie trzęsienie, że ono może tam wystąpić, ale po pierwsze, można sobie wyobrazić inne mniej lub bardziej prawdopodobne scenariusze. To mogło być mniejsze trzęsienie, uzupełnione później większym. Można sobie wyobrazić, że te naprężenia mogą się w różny sposób uwalniać, na przykład poprzez powolny poślizg. Po drugie nie można przewidzieć czasu, kiedy trzęsienie wystąpi. Możemy powiedzieć, że w danym miejscu, z częstością średnio co 300 lat takie silne trzęsienie wystąpi. Ale kiedy dokładnie, tego nie da się określić. Poszukiwane są zjawiska będące zwiastunami trzęsień ziemi, tzw. prekursory…
I takie zwiastuny można zaobserwować?
Tak, ale ich występowanie nie jest na tyle systematyczne i uniwersalne, aby w ten sposób skutecznie przewidywać silne trzęsienia ziemi. Metody badań są różne; obserwacje geodezyjne i sejsmiczne pozwalają określać co dzieje się pod powierzchnią Ziemi. Czasem tak zaobserwowany powolny poślizg na uskoku zwiastuje nadchodzący nagły, gwałtowny poślizg, czyli trzęsienie ziemi. Czasem zmiany rozkładów występowania słabszych wstrząsów mogą wskazywać na możliwość pojawienia się silnego trzęsienia ziemi. Danych jest bardzo dużo, do ich analizy używa się sztucznej inteligencji, aby wśród tych różnych danych rozpoznać oznaki nadchodzącego trzęsienia. Ale…
… ale wciąż nie udaje się ostrzec ludzi.
Można się przygotować na trzęsienie ziemi, jeśli wiemy, jak silnego możemy się spodziewać.
Kiedy byłam w Japonii, doświadczyłam lekkiego trzęsienia ziemi, ale tam każdy pokój był przygotowany na tego rodzaju zdarzenie; każdy był wyposażony w latarkę umieszczoną tuż przy łóżku. Wiadomo też było, jak się należy zachować.
W Japonii trzęsienia są częste, też ich doświadczyłem, na szczęście tych słabszych. Nagle przedmioty zaczynają spadać z półek, tymczasem wokół nikt nie przerywa pracy, przyzwyczajeni są do tego. Nigdy jednak nie wiadomo, czy małe trzęsienie nie rozwinie się w duże. Tylko, że w Japonii wszystko jest idealnie przygotowane na wypadek trzęsienia, dostosowane jest budownictwo, infrastruktura. Trzęsienie ziemi w Japonii w 2011 roku miało siłę taką jak ponad 30 trzęsień w Turcji, ale zginęło znacznie mniej ludzi, straty były dużo mniejsze. Po pierwsze dlatego, że to trzęsienie było pod oceanem. W Turcji trzęsienie zdarzyło się pod lądem, to pierwsza różnica. Ale druga różnica jest właśnie taka, że w Japonii budownictwo jest dostosowane do warunków sejsmicznych i procedury są na ogół przestrzegane. W Turcji natomiast – owszem, w 1999 roku też było silne i tragiczne w skutkach trzęsienie ziemi, po którym wprowadzono bardzo rygorystyczne przepisy budowlane. Ale po trzęsieniu w 2020 roku, które też spowodowało dużo zniszczeń, także nowych budynków, stwierdzono, że te przepisy nie były przestrzegane, stosowano niewłaściwe materiały. Zapewne w Turcji też ludzie są nauczeni, jak reagować na wstrząsy, ale to było w nocy…
Łatwiej przewidzieć i zabezpieczyć się przed tsunami, które wydarza się na morzu, niż trzęsieniem ziemi na lądzie?
Przede wszystkim, żeby wystąpiło tsunami, trzęsienie ziemi musi spełniać pewne warunki. Dno oceanu musi się przesunąć w odpowiedni sposób, aby powstała taka fala. Na podstawie zapisów sejsmometrów można stwierdzić czy tak było, i wydać odpowiednie ostrzeżenie. Taka fala rozchodzi się z określoną prędkością, powiedzmy z prędkością odrzutowca, znacznie wolniej niż fale sejsmiczne. Kiedy w 2004 roku trzęsienie ziemi na Sumatrze spowodowało tsunami, to przy odpowiednim systemie ostrzegania możliwe byłoby zaalarmowanie ludzi zanim fala dotarła do odleglejszych wybrzeży. Tsunami zaskoczyło ludzi podczas trzęsienia ziemi w Lizbonie, które zaszokowało świat w 1755 roku. Ale to były początki zaledwie początki sejsmologii. Japonia w 2011 roku też nie była przygotowana na tak wysokie tsunami, a powinna, bo odpowiedniej wiedzy nie brakowało…
Kiedy najczęściej zdarzają się trzęsienia ziemi, nocą czy za dnia?
Nie ma takiej reguły. Ukazują się prace sugerujące jakieś korelacje pomiędzy wystąpieniami trzęsień a przepływami morza, porą roku, czy większymi opadami deszczu, co może powodować wzrost naprężeń w miejscach uskoków; ale myślę, że silne trzęsienie ziemi może wystąpić o każdej porze. Natomiast być może są okresy, gdy tych trzęsień ziemi jest więcej, bo one mogą się grupować, oddziałują ze sobą. Jeśli na uskoku jest poślizg w jednym miejscu, to naprężenia zmieniają się w bardzo dużym obszarze, i to może spowodować poślizg na innym uskoku, czasem po chwili, a czasem po tygodniu czy roku. Tak zresztą było w wypadku ostatniego trzęsienia w Turcji i Syrii, po którym nastąpił silny wstrząs o magnitudzie 7,5 na sąsiednim, odgałęziającym się uskoku. Pora dzienna czy nocna chyba nie ma znaczenia, choć z oczywistych powodów nocą zwykle jest więcej ofiar.
Jakie jeszcze skutki może spowodować to ostatnie trzęsienie? Czy odbije się na jakimś większym obszarze?
Na obszarze Turcji jest wielu uskoków. Dwa główne – to uskok wschodnioanatolijski, gdzie wystąpiło ostatnie trzęsienie, i północnoanatolijski, w przeszłości bardziej aktywny. Trzęsienie ziemi na jednym uskoku może spowodować wstrząs na innym, właśnie w wyniku tych oddziaływań. Spodziewane jest silne trzęsienia ziemi w okolicach Stambułu. Tam też jest tak zwana luka sejsmiczna, czyli miejsce, gdzie dawno nie było trzęsienia, a powinno być, bo jest tam segment uskoku, na którym od dawna nie było poślizgu. Kiedy to trzęsienie nastąpi – nie wiadomo, ale ostatnie trzęsienie może ten moment przyspieszyć. Oczywiście takim bardziej bezpośrednim skutkiem są wstrząsy wtórne, które z malejącą częstością mogą występować dość długo. Potrzeba czasu, aby zmieniony rozkład naprężeń w regionie ustabilizował się.
Może powtórzę: kiedy płyty się przesuwają, to w pewnym momencie naprężenia muszą się uwolnić; musi nastąpić poślizg. Nie wiemy kiedy, ale wiemy, że nastąpić musi. Mniej więcej wiemy, jaka będzie siła tego trzęsienia, bo siła trzęsienia zależy od tego, jak duży będzie poślizg, czyli o ile metrów przesunie się płyta i na jakiej powierzchni. W przypadku ostatniego trzęsienia poślizg wynosił trzy metry, a powierzchnia tego uskoku to 200 kilometrów wzdłuż i około 30 kilometrów w głąb. Mając te dane można sobie policzyć tak zwany moment sejsmiczny, który określa wyzwoloną energię podczas trzęsienia; a także jak zmienią się naprężenia w innych miejscach. Z powodu trzęsienia ziemi w Turcji raczej nie zatrzęsie się Kalifornia – ale być może są procesy, których jeszcze nie do końca rozumiemy…
W związku z katastrofą w Turcji i Syrii rodzą się pytania, jak to wygląda w Polsce? Przypomnę, że w 2004 roku zatrzęsła się ziemia w Olsztynie. To było coś kompletnie niespodziewanego, a zarazem bardzo mocne doświadczenie. Tamto trzęsienie ziemi wzbudziło grozę i niepewność, bo jeśli zatrząsł się mój dom, to czy jest gdzieś miejsce, gdzie można poczuć się całkowicie bezpiecznie?
Trzęsienie ziemi to jest taki kataklizm, który budzi wielkie emocje. Ziemia, po której twardo stąpamy, zaczyna się poruszać, staje się jak nasączona gąbka, jak napisał w jednym z opowiadań inspirowanych trzęsieniem ziemi w Kobe w roku 1995 Haruki Murakami. Rzeczywiście jest tak, że gdy ziemia się trzęsie, grunt traci spójność, nasiąka wodą, budynki mogą się przewracać się jak klocki. Ale to w Japonii. W Polsce jesteśmy raczej bezpieczni, bo u nas nie ma aktywnych uskoków. Zdarzają się u nas dość silne wstrząsy związane z działalnością górniczą. Na południu Polski występują słabsze trzęsienia naturalne, było dawno temu silniejsze trzęsienie powodujące zniszczenia we Wrocławiu, Krakowie. Także na północy rejestrowane są wstrząsy lokalizowane pod Bałtykiem. Ale tak silnych i tragicznych wstrząsów jak w Turcji szczęśliwie nie musimy się obawiać. Ale myślę też, że mimo to odpowiednia edukacja dotycząca trzęsień ziemi, odpowiednich procedur i zachowania gdy ziemia się trzęsie, nie jest złym pomysłem. Podobnie jak monitorowanie sejsmiczności czy analizowanie potencjalnych, nawet mało prawdopodobnych, zagrożeń.
Kiedy wydarza się katastrofa lotnicza, to jej drobiazgową analizę robi się po to, aby zapobiegać lotniczym wypadkom. Co daje analiza trzęsienia ziemi? W jakim celu i w jakich kontekstach się je analizuje?
Chcemy prognozować trzęsienia ziemi; a także znać skutki możliwych w danym miejscu wstrząsów. Metody geodezji, sejsmologii, czy geologii pozwalają niemal prześwietlić ziemię, określić, co się dzieje w jej wnętrzu. Badane są wzory sejsmiczności, rozkłady czasów i miejsc wystąpień słabszych i silniejszych wstrząsów. To są ogromne ilości danych, których analiza pozwala lepiej zrozumieć procesy sejsmiczne, lepiej je prognozować, lepiej na nie się przygotować, i lepiej reagować. Szukamy tak zwanych prekursorów trzęsień ziemi, czyli oznak nadchodzącego wstrząsu, określamy potencjał, czy prawdopodobieństwo, gdzie i jak silne trzęsienie ziemi może wystąpić. Wspomniałem, że teraz przewiduje się, że trzęsienie ziemi może wystąpić w okolicy Stambułu, po pierwsze dlatego, że jest tam luka sejsmiczna, że od dawna nie było tam poślizgu. Ale, po drugie, są też prace analizujące korelacje mikrowstrząsów z przypływami morza w tym regionie, i to sugeruje, zdaniem autorów, że to miejsce jest w stanie niestabilnym, że niewielka zmiana naprężeń może spowodować poślizg na uskoku, a zatem silne trzęsienie ziemi.
Czy takimi perkursorami nie mogą być zwierzęta? Chyba nie bez powodu mówi się, że szczury uciekają z tonącego okrętu na długo, zanim zatonie. Czy zachowanie zwierząt może wskazywać na zbliżające się trzęsienie ziemi?
Być może. Na pewno nie można takich sygnałów lekceważyć. Ale to co w tej chwili budzi nadzieje naukowców to przede wszystkim obserwacje geodezyjne, pozwalające dostrzec zjawisko tak zwanego powolnego poślizgu, który nie generuje fal sejsmicznych, ale może poprzedzać gwałtowny poślizg, czyli silny wstrząs. A także badania wspomnianych wzorów sejsmiczności i ich zmian. Takich prekursorów się szuka, ostatnio, wobec ogromnej ilości danych, także z użyciem metod sztucznej inteligencji. Czasem się je znajduje, ale jak dotąd raczej po fakcie.
Zatem można wskazać dwie drogi. Po pierwsze określenie potencjalnego zagrożenia, czyli jak silne trzęsienie może wystąpić w danym regionie i w danym czasie, choć nie wiemy czy i kiedy taki scenariusz się spełni. I po drugie, poszukiwanie prekursorów, czy zwiastunów nadchodzącego wstrząsu.
Można się spodziewać takiego trzęsienia, które może dokonać ogromnych spustoszeń w naszej cywilizacji?
Myślę, że nie. Najsilniejsze trzęsienia ziemi występują w strefach subdukcji, tam, gdzie płyta oceaniczna wsuwa się pod kontynent, tak jak to jest w Japonii – wyspy japońskie leżą nad strefą subdukcji. Właśnie dlatego, że powierzchnia styku płyt jest tam największa. Trzęsienia ziemi o magnitudzie 9 czy 9.5 są tam możliwe. Ale nie wydaje mi się, aby trzęsienia o znacznie większej magnitudzie były możliwe. Myślę, że naprężenia zostałyby uwolnione zanim zgromadziłaby się dostatecznie duża energia dla trzęsienia ziemi o magnitudzie powiedzmy 10. A w każdym razie mam taką nadzieję. Chociaż miasto o nazwie Armageddon nad Morzem Martwym, pomiędzy płytą afrykańską i arabską było w odległej przeszłości niszczone przez trzęsienia ziemi, to nie sądzę, aby naszą cywilizację zniszczyło trzęsienie ziemi. Lepiej na nie patrzeć jak na element naturalnego procesu kształtującego Ziemię.