V oddělení seismologie Ústavu struktury a mechaniky hornin AV ČR vznikla v roce 2007 sice malá, ale z hlediska rozvoje poznání významná laboratoř. Jako cíl si uložila vybudovat v Evropě síť nových aparatur – vertikálních statických kyvadel, která umožňují měřit mikrodeformace hornin nebo jejich náklony v řádu desítek až stovek nanoradiánů.
V roce 2007 badatelé instalovali první dvě kyvadla v podzemí ve štole Prokop v Příbrami, což umožnilo oprostit se od řádově větších rušivých deformací při povrchu, a sledovat tak nerušeně vývoj deformace horského masivu. Překvapivě se zjistilo, že kromě předpokládaných slapů a ročního chodu náklonu a šumu masivu, trvalých plouživých deformací masivu – creepu, seismických vln vzdálených i blízkých zemětřesení a koseismických trvalých deformací – existují anomálie před velkými zemětřeseními, které pocházejí zejména z okrajů Eurasijské litosférické desky (viz obr. 1).
Obr. 1: Vývoj anomální deformace v N-S směru a vývoj šumu (variací náklonů) na kyvadle P7 v Příbrami před sumatranským zemětřesením 2007 (M = 8,5)
Povzbuzeni tímto neočekávaným úspěchem jsme urychlili instalaci dalších kyvadel v jeskyni č.13C v Moravském krasu, na činném dole Slovmag Lubeník, v bunkru Skutina v Orlických horách, ve štole Ida u Malých Svatoňovic a připravili instalaci kyvadel u Postojny ve Slovinsku, u Bari v Itálii a u Marsaly na Sicílii. V roce 2010 bylo v činnosti již 10 kyvadel včetně dvou povrchových v laboratoři v Praze, která sloužila pro testování vlivu osvitu na budovy a testování algoritmů přenosu dat a zpracování signálu.
V roce 2008 jsme poprvé neoficiálně predikovali zemětřesení v Sečuanu (M = 7,9), které se projevilo výraznou celodenní termo-elastickou vlnou, jež se šířila ze Sečuanu až do střední Evropy. Ještě v témž roce jsme měli první příležitost oficiálně otestovat naši hypotézu o šíření termoelastické vlny přes celou litosférickou desku. Na kyvadle v jeskyni 13C, která je založena na S-J aktivním zlomu a jež je proto velice citlivá na změny napětí z tohoto směru, jsme v říjnu 2008 pozorovali celodenní vlny a anomální vývoj jak deformace, tak šumu. Protože se maximum napětí (a tedy i šumu) projevilo okolo půlnoci SEČ, usoudili jsme, že jsou vlny vyvolávány porušováním asperity na protilehlé straně Země; asperitu jsme lokalizovali na Kamčatce – na Kurilách. Podle délky anomálie jsme usoudili, že magnitudo nadcházejícího zemětřesení bude větší než 7. To se potvrdilo 24. listopadu 2008 (viz obr. 2).
Obr. 2: Vývoj deformace a vývoj šumu (variací náklonů) na kyvadle 13C v Moravském krasu před kurilským zemětřesením 24. listopadu 2008 (M = 7,3)
Od roku 2008 do konce roku 2010 jsme zemětřesení oficiálně predikovali ještě devětkrát, z toho dvakrát neúspěšně. První neúspěšná predikce nastala v únoru 2010, kdy jsme viděli obrovské anomálie téměř na všech kyvadlech (viz obr. 3) a napětí přicházející z východu až jihovýchodu. Predikovali jsme proto možná zemětřesení v Indonésii, na ostrově Tonga nebo i blíže. Nenapadlo nás, že asperita leží v jižní Americe a zemětřesení přichází z Chile s magnitudo 8,8. Jak jsme dodatečně zjistili na konferenci v Pekingu, deformační a napěťové anomálie před tímto zemětřesením byly pozorovatelné všude na světě (Li – ústní sdělení).
Obr. 3: Vývoj deformace a vývoj šumu (variací náklonů) na kyvadle ve štole Ida v roce 2010 a pozorované anomální deformace před velkými zemětřeseními. Bylo predikováno zemětřesení Mentawai 25. října 2010 (M = 7,7). Bylo odhadnuto magnitudo M > = 7,5.
Druhá neúspěšná predikce nastala po chilském zemětřesení, kdy následná deformační vlna obíhala několikrát celou Zemi a spouštěla zemětřesení na různých místech světa (Pákistán, Indonésie), mj. i na západním pobřeží severní Ameriky v Baja California. I z tohoto místa se do střední Evropy dostaly celodenní napěťové vlny, podle nichž šlo lokalizovat porušovanou asperitu. Dne 5. března 2010 jsme predikovali zemětřesení na západním pobřeží severní Ameriky s magnitudo větší než 6,5 do 28 dnů. Pravděpodobnost takového náhodného zemětřesení v daném časovém okně byla 17%. Zemětřesení ale nastalo až 4. dubna 2010, tedy 30 dnů po predikci a necelé dva dny po konci predikovaného časového okna. Potvrdila se však hypotéza o pozorovaných celodenních termoelastických vlnách, které předcházejí hlavnímu jevu.
Je tedy predikce zemětřesení možná? Podle našich pozorování ano. Je ale potřeba měřit nikoli následky, tedy zemětřesení a seismické vlny, ale příčiny, tj. napětí a jím vyvolané deformace. Protože periody napěťových vln vznikajících při porušování asperity (pevnější oblasti zlomu a současně koncentrátory napětí) trvají dny až týdny, jejich vlnová délka je tak dlouhá, že je srovnatelná s obvodem celé Země. Útlum těchto „napěťových“ neboli tektonických vln je proto velice malý, a jsou tudíž při největších zemětřeseních pozorovatelné na celé zeměkouli. Pomocí vertikálních statických kyvadel jsme schopni detekovat „napěťové“ vlny a predikovat tak dva parametry budoucích zemětřesení – čas a magnitudo (viz obr. 3). Lokalizovat porušovanou asperitu je mnohem složitější úloha a ne vždy je spouštěcím mechanismem osvit zemského povrchu vyvolávající celodenní termoelastickou vlnu, která dominuje nad slapovými vlivy. Proto je nutná spolupráce s dalšími partnery, kteří používají lokální metody predikce zemětřesení, jako jsou například termální (IR) anomálie, změny lokálního EM pole, zemětřesné mraky a další. Predikce zemětřesení je tedy možná a realizovatelná, ale k jejímu uskutečnění je nutná celosvětová síť různých pozorovacích metod propojených do jednoho celosvětového centra. A to je úkol i naší laboratoře do dalších let.
Podrobnosti naleznete např. v pracích Kalenda, P., Neumann, L. & Wandrol, I. (2009): Indirect stress measurement by static vertical pendulum. Proceedings of 47th Int. Sci. Conf. Experimentální analýza napětí 2009, 120–128. TU Liberec, či Kalenda, P. & Neumann, L. (2010): Static vertical pendulum – observations of anomalous tilt before earthquakes (case study). In: Rock stress and earthquakes (F. Xie ed.), 795–803.
Síť kyvadel vznikla za podpory firem CoalExp Ostrava a Anect Praha, a. s., a částečně z ústavního úkolu ÚSMH AV ČR č. 428 v letech 2008–2010. Od roku 2010 je zahrnuta do projektu CzechGeo. Poděkování také patří nezištným spolupracovníkům, kteří se fyzicky starají o chod kyvadel – jeskyňářům ZO 6-19 Plánivy, Ing. O. Kvetkovi ze Slovmag Lubeník, a. s., P. Stolinovi z HBZ Odolov, pracovníkům GFÚ AV ČR, pracovišti Příbram, dr. S. Šebele ze SAZU Postojna, Slovinsko, Ing. arch. N. Sciacca, jeskyňáři z Marsaly, a dalším, kteří se podíleli na instalaci kyvadel.
PAVEL KALENDA, LIBOR NEUMANN,
Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v. v. i.,
ANECT Praha, a. s.
English
