NECESITATEA ŞI POSIBILITATEA DE A PREVEDEA CUTREMURELE DE PĂMÎNT DIN ROMÎNIA FOLOSIND FENOMENELE PRECURSOARE

1. INTRODUCERE
     Recentele cutremure de pămînt din Taiwan, Turcia, India şi Romînia au demonstrat în  mod tragic violenţa cu care se produc şi enormele pagube materiale şi victime umane care le acompaniază. Guvernele, oamenii de ştiinţă şi populaţia sunt extrem de interesaţi de fracturile bruşte care se produc în timpul cutremurelor în crusta pămîntului, urmate de mişcările de pămînt, şi au desigur multe întrebări referitoare la acestea. Spre exemplu, cînd se produc cutremurele de pămînt? Mai precis, care sunt procesele pe termen lung şi cele pe termen scurt de declanşare a cutremurelor? Deşi plăcile tectonice au furnizat un cadru de studiu plin de succese pentru a înţelege procesele pe termen lung, procesele de declanşare pe termen scurt au rămas obscure, făcînd ca producerea cutremurelor de pămînt să fie nepredictibilă.
     O întrebare la fel de importantă şi o provocare fundamentală pentru ştiinţele geofizice este şi ce se întîmplă în timpul unui cutremur de pămînt. Adică, care sunt forţele şi mişcările în timpul unui eveniment seismic. Răspunsul la aceste întrebări are drept consecinţă practică luarea de măsuri pentru diminuarea urmărilor mişcărilor de pămînt.
     Cele mai multe cutremure de pămînt se află la adîncimi sub 50 km, unele dintre ele se produc, în anumite regiuni, chiar la adîncimi sub 670 km. De aceea, seismologii nu au observat direct fracturile care se produc în interiorul pămîntului. În schimb, ei se bizuie pe informaţiile extrase dintr-un număr restrîns de tipuri de date, dintre care cele mai importante se referă la înregistrarea de unde seismice. Aceste unde transportă informaţii referitoare la procesele care au loc în focar. Însă structura complexă a solului între sursa cutremurului şi receptor complică extragerea de informaţii din semnal. În ciuda acestor dificultăţi, cercetătorii au învăţat foarte mult din înregistrările seismice şi au putut determina în detaliu evoluţia tectonică pentru multe din evenimentele seismice recente. 
     
     Observaţiile geologice referitoare la faliile exhumate (falii vechi formate la adîncimi de 5-10 km şi ridicate la suprafaţă printr-o ascensiune lentă, continuă şi de lungă durată, măsurătorile geodezice ale mişcărilor crustale, măsurătorile de flux termic şi experienţele analoge de laborator au adus informaţii semnificative la bazele de date seismice. Recentele progrese în geofizica spaţială şi interferometria satelitară ne furnizează date clare despre mişcările crustale şi acumulările de tensiuni.
     Fizicienii din domeniul cutremurelor de pămînt încearcă permanent să lege observaţiile pe care le obţin de procesele care se produc la adîncimi mari în interiorul pămîntului. Cîteva concepte generale sunt folosite pentru a stabili aceste legături, spre exemplu, plăcile tectonice leagă măsurătorile geodezice de stresul de forfecare care generează cutremurele de pămînt peste scara de timp geologică. Modele de frecare leagă concluziile laboratoarelor analogice şi anumite aspecte privind undele seismice de schimbările de stres care se produc în timpul cutremurelor de pămînt. Unele idei speculative mai recente fac posibilă o abordare a unor direcţii de cercetare mai fertile.
2. PROCESELE PE TERMEN LUNG
     Nu ne propunem în acest cadru să facem o expunere şi o aprofundare referitoare la procesele pe termen lung, ci numai cîteva referiri la acestea care să justifice tocmai necesitatea abordării şi folosirii cercetărilor privind precursorii gazoşi ai cutremurelor de pămînt.
     Forţele generate în crusta pămîntului sunt descrise în funcţie de forţele pe unitatea de suprafaţă aplicate tangent pe planul crustei (shear stress) şi de o mărime fără dimensiuni (shear strain) care descrie deformările crustei ca răspuns al existenţei stresului de forfecare.
     Cînd stresul într-un punct al crustei excede o valoare critică numită intensitate locală se produce o cădere (slăbire bruscă). Planul în lungul căruia se producere căderea se numeşte planului faliei. În mod tipic se produce o deplasare bruscă a crustei în planul faliei fiind radiate unde elastice. Acesta este de fapt cutremurul de pămînt.
     Schimbarea strainului asociată cu cutremurele de pămînt puternice au fost estimate prin folosirea de metode geodezice şi seismologice. Împărţirea acestei căderi de distorsiune la rata de acumulare a distorsiunii sugerează că timpul de repetiţie a cutremurelor majore într-un anumit loc este de 100–1000 ani la graniţele plăcii tectonice şi de 100–10.000 de ani în interiorul plăcii. Deşi aceşti timpi de repetiţie foarte mari pot să ne bucure, trebuie spus că ei nu ne spun nimic despre momentul exact al producerii unor cutremure şi aceasta deoarece: 1) rata de acumulare a stresului nu este uniformă în timp; 2) un cutremur mare de pămînt pe un anumit segment al faliei schimbă stresul în segmentele vecine, fie static, fie dinamic şi accelerează sau decelerează activitatea seismică depinzînd de geometria faliei; 3) intensitatea (presiunea) în crustă nu este constantă în tot timpul; 4) migrarea fluidelor poate slăbi în mod semnificativ crusta influenţînd aleatoriu momentul în care se produce cutremurul. Se poate deci concluziona că procesul în ansamblu este regulat, dar există fluctuaţii temporale considerabile care fac extrem de dificilă, dacă nu imposibilă, în stadiul actual al dezvoltării modelelor teoretice şi al completitudini modelelor experimentale, o predicţie a momentului producerii cutremurului de pămînt major.
3. PROCESELE PE TERMEN SCURT ŞI FRECĂRILE DIN FALII
     Dacă posibilităţile oferite de cunoaşterea proceselor pe termen lung este cea subliniată mai sus putem oare spera mai mult de la procesele pe termen scurt care declanşează cutremurele?
     Mişcările produse de cutremur pot fi privite ca o alunecare cu frecare în planul faliei. Frecarea se schimbă în funcţie de alunecarea (deplasarea relativă a două feţe ale planului faliei), viteza şi istoria contactului. Astfel, forţele de frecare controlează mişcarea seismică.
     Un cutremur de pămînt se poate produce numai dacă frecarea descreşte rapid cu alunecarea, un proces cunoscut sub numele de slăbirea alunecării.
     În general, mişcarea faliei nu se produce în mod calm, ci mai degrabă cu opriri şi porniri şi se numeşte alunecare de tip stick-slip. Dinamica efectelor care conduc la un asemenea comportament au fost studiate extensiv (Rabinowicz, 1995; Hohner, Spencer, 1998). 
     Procesul de stick-slip se produce după următoarea secvenţă: acumularea de stres tectonic pînă ce acesta depăşeşte stresul de frecare; începe alunecarea; stresul de acumulare cade sub cel de frecare; mişcarea faliei se opreşte; procesul se repetă după schema Sticking.
     Rezoluţia limitată a metodelor seismice stopează fizicienii din domeniul seismologiei în determinarea fiecărui detaliu al patern-ului de ruptură în planurile neregulate ale faliei. Istoria stresului obţinută pentru paternul de ruptură este de aceea completată prin măsurarea unor cantităţi integrate, ca energia totală radiativă ER. 
     Datorită complexităţii efectului de propagare a undelor seismice, energia radiativă ER nu a putut fi măsurată cu acurateţe. Numai în această etapă s-a putut ca, pe baza unei noi instrumentaţii şi a datelor obţinute cu seismografe montate la adîncimi de peste 2 km fizicienii din domeniu să poată începe evaluări cantitative ale ER.
     Este din nou evident că, în asemenea condiţii, nu putem avea pretenţia de a obţine o prognozare a momentului cutremurului apropiată de aşteptările populaţiei.
     O comparaţie a ER cu  W0 (energia totală emisă la producerea cutremurului de mare adîncime din Bolivia în 1994 cu M = 8,3) a condus la un rezultat foarte interesant. Acest cutremur de pămînt s-a produs la o adîncime de 635 km, a avut aW0 = 1,4 · 1018 J şi ER = 5 · 1016  J (care este numai 3% din  W0). Diferenţa 
)W0 – ER = 1,35 · 1018 J nu a fost deci radiativă şi trebuie, deci, să se fi depozitat lîngă regiunea focală, probabil sub formă de energie termică. Această energie de ă 1018 J este comparabilă cu energia termică eliberată de cea mai puternică erupţie vulcanică cunoscută pînă în prezent. 
     În plus, energia termică eliberată trebuie să se fi concentrat într-o zonă relativ mică 50 · 50 km2 într-un timp în jur de un minut. Partea mecanică a procesului, undele seismice care acompaniază cutremurul, a fost deci numai o componentă mică. În felul acesta se poate aprecia că cutremurul bolivian a fost mai mult un eveniment termic decît unul mecanic. Aprecierile făcute au subliniat de altfel că pentru o zonă, a cărei grosime a fost de numai cîţiva centimetri, temperatura a ajuns la 5000°C.
     Unele concluzii clare şi credibile au putut fi totuşi desprinse din cele menţionate mai sus şi anume:
     1) Cutremurele mari de pămînt sunt evenimente rare;
     2) Rata de producere a cutremurelor mari scade exponenţial în funcţie de magnitudine. Această cădere exponenţială este numită relaţia Gutenberg-Richter. S-au propus pînă în prezent mai multe modele matematice care reproduc această relaţie (Buvridge, Knopoff, 1967; Otsuka, 1971; Bok, Tang, 1989). 
     Marea dificultate, nerezolvată încă, a apărut atunci cînd s-a căutat un model matematic care să trateze unitar cutremurele de pămînt de mare adîncime şi cele de suprafaţă şi cutremurele mari şi cele mici. O sistematică dată în Kanamari, Brodsky (2000) scoate în evidenţă faptul că raportul ER/M0 (M0 fiind corelat cu magnitudinea M a cutremurului prin relaţia M = (log M0 – 9,1)/1,5) este pentru cutremurele mari (M   5) de 10–100 de ori mai mare decît pentru cutremure mici (MM 2,5). Această creştere a raportului ER/M0 cu creşterea magnitudinii sugerează o schimbare dramatică în dinamica faliei între cutremurele mari şi mici.
     Iată deci încă un aspect fundamental neaprofundat şi care limitează posibilităţile modelelor matematice de a face o previziune a momentului cutremurului aşteptată şi dorită de populaţie.
4. SEMNALELE PRECURSOARE CUTREMURELOR 
DE PĂMÎNT – O ALTERNATIVĂ CREDIBILĂ
     Pe plan naţional şi internaţional se continuă şi se amplifică efortul pentru perfecţionarea modelelor teoretice existente şi chiar a elaborării unora noi, pe baza unor măsurători cît mai exacte şi complexe referitoare la parametrii de bază ai cutremurelor de pămînt.
     Aşa cum a reieşit şi din cele subliniate mai sus, prin folosirea unei noi instrumentaţii, a observării şi supravegherii din spaţiu a pămîntului, a utilizării uriaşelor posibilităţi oferite de dezvoltarea tehnicii de calcul etc., am asistat şi vom asista la descoperiri spectaculoase care ne apropie de posibilitatea predicţiei cu o precizie de minute a momentului producerii unui cutremur puternic de pămînt.
     Pînă a se ajunge la o asemenea situaţie se caută să se înţeleagă cît mai bine şi să se folosească cît mai exact semnalele aşa-ziselor fenomene precursoare, care în ultimul timp au devenit din ce în ce mai clare şi credibile. Dintre acestea se impun din ce în ce mai mult precursorii electromagnetici, gazoşi şi termici.
     În această lucrare, ne vom concentra asupra precursorilor gazoşi şi, în mod deosebit, asupra emisiilor de radon.
     În acest context se poate afirma, pe baza măsurătorilor ample şi sistematice deja efectuate în anumite zone, că observaţiile de emanaţii gazoase din apă şi sol şi, în particular, anomaliile în emanaţiile de radon pot fi utilizate pentru predicţia apropierii unui cutremur de pămînt, schimbarea concentraţiei emanaţiilor de radon este influenţată însă şi de parametrii meteorologici ca presiunea atmosferică, ploile abundente şi temperaturile mari ale solului. A devenit deci evidentă necesitatea efectuării de studii sistematice pentru a diferenţia perturbaţiile de natură seismică de cele care au alte cauze şi să se elimine erorile datorate parametrilor meteorologici asupra concentraţiilor de radon luate în considerare în previziunile mişcărilor seismice. Este important de subliniat că asemenea studii continue şi sistematice au fost efectuate în ultimii 3–5 ani în ţări vecine cu Romînia ca: Polonia, Ungaria şi Croaţia.
     În ţara noastră, deşi s-a dezvoltat o metodologie performantă şi s-au efectuat măsurători pentru testarea acesteia nu s-a ajuns la măsurători sistematice în zonele geodinamic active şi, mai ales, la un sincronism cu măsurătorile pentru alţi precursori.
     Variaţia temporală a radonului în sol sau apă poate constitui o evidenţă că emanarea acestui gaz este corelată cu deformările tectonice ale crustei pămîntului.
     Pentru a prezice forma şi mărimea unui cutremur de pămînt pe baza fenomenelor precursoare s-au dezvoltat foarte recent două modele teoretice: modelul de dilatare-difuziune, DD (Martinelli, 1991) şi modelul avalanşelor de crăpături, CA (Lay et al., 1999).
     Conform modelului DD, mediul iniţial al cutremurului îl constituie o rocă poroasă saturată. Cu creşterea stresului tectonic fisurile se extind de asemenea şi apar fisuri deschise în vecinătatea porilor, fisurile orientate favorabil fiind deschise. Aceasta se manifestă printr-o descreştere a presiunii în pori în toată zona, ceea ce face ca apa să pătrundă în zona înconjurătoare, revenirea presiunii în pori şi creşterea fisurilor producînd o ruptură puternică la sfîrşitul perioadei de difuziune.
     În conceptul modelului CA procesul este următorul: o zonă focală fisurată este formată prin creşterea stresului tectonic. Forma şi volumul acestei zone focale se schimbă lent în timp. 
     Prin compararea celor două modele se poate desprinde un principiu comun, şi anume, întrun anumit stadiu se formează o regiune cu mai multe fisuri.
     Procesul mecanic al preparării cutremurului este totdeauna acompaniat de crăpături şi deformări, ceea ce face să apară fenomenele precursoare.
     Printre acestea, rezultat al apariţiei şi multiplicării crăpăturilor şi distorsiunilor, se numără şi anomaliile concentraţiei de radon în gazul din sol, care au fost înregistrate cu cîteva săptămîni sau luni înaintea unor recente cutremure de pămînt.
     Fenomenele precursoare pot fi observate pînă la distanţa D (km) care este de fapt raza zonei de manifestare a efectelor precursoare.
     În 1991 Martinelli dă următoarea formulă fenomenologică D = 100,43M, în care M este magnitudinea cutremurului. Aceasta înseamnă, spre exemplu, că un cutremur cu magnitudine 5 poate fi detectat prin intermediul fenomenelor precursoare la distanţe mai mici de 142 km de epicentru.
     Pe baza datelor publicate despre anomaliile pre-cutremur ale concentraţiilor de radon, Martinelli ajunge la concluzia că şi forma picului (şi nu numai amplitudinea) poate fi utilizată ca parametru de diagnostic pentru evenimentul seismic care se apropie.
     Relaţia, dintre amplitudine şi durata anomaliei concentraţiei de radon şi magnitudinea cutremurului de pămînt aşteptat, propusă de Martinelli este: 
M = K(S)1/2,
în care M este magnitudinea, K – factor depinzînd de amplitudine, S – durata anomaliei.
     Pentru a exprima potenţialitatea de a detecta un eveniment seismic se poate folosi parametrul   (efectivitatea cutremurului de pămînt dată de Dobrovolski et al., în 1979): 
, = 10(1,3M-8,19) R–3
unde R este distanţa pînă la epicentru.
     În afară de observarea anomaliilor radonului, perturbările tectonice pot fi înregistrate prin măsurarea anomaliilor concentraţiilor de heliu, hidrogen, mercur, bioxid de carbon şi metan şi, de asemenea, concentraţia ionică, (schimbările în concentraţia ionică pentru Na– şi Cl–). Am ţinut să menţionăm cele cîteva formule de calcul atît pentru utilitatea lor, cît şi pentru simplitatea acestora, ceea ce ne permite să ajungem rapid şi direct la concluzii orientative.
5. METODA EXPERIMENTALĂ
     La fel de simplă este metoda şi tehnica experimentală folosită pînă în prezent pentru măsurarea concentraţiei de radon în gazele din sol. Este vorba de măsurarea cu detectori nucleari de urme, folosită cu succes şi în cercetări fundamentale de fizică nucleară, care în acest caz sunt plasate la 0,5 m adîncime în sol. Detectorul de radon este construit dintr-un cilindru metalic exterior (500 mm) în care este introdusă o cupă de plastic de 74 mm lungime şi 64 mm lăţime, închisă (acoperită) cu filtru de hîrtie. Un film (2·3 cm2) tip LR-115, produs de firma KodakPathé, este introdus din săptămînă în săptămînă în interiorul cupei. După o expunere de o săptămînă filmul este developat în soluţie apoasă 10% la 60°C pentru 120 de minute şi urmele lăsate de radon sunt apoi numărate folosind un microscop optic cu putere de mărire de 10·16. Detectorul este calibrat astfel încît să putem ajunge la valori exacte ale concentraţiei de radon.
     Simultan cu aceste măsurători se efectuează şi determinările de parametri meteorologici pentru a pune în evidenţă eventualele influenţe ale acestora asupra concentraţiilor de radon.
     Curbele pentru concentraţia de radon pentru perioade de 1–2 ani pot fi folosite pentru procedurile de examinare a maximelor de radon (posibile anomalii) cauzate de cutremure de pămînt.
     Putem presupune că anomaliile de radon se produc atunci cînd concentraţiile de radon cresc cu peste două deviaţii standard sau mai mult peste valoarea medie.
     O analiză de detaliu şi o discuţie asupra modului cum sunt folosite rezultatele unor astfel de măsurători pe teritoriul Croaţiei, Poloniei şi Ungariei o voi face numai sub forma unei scurte prezentări a concluziilor acestei analize.
     Monitorizarea concentraţiei de radon în sol, ca şi măsurarea presiunii atmosferice, a precipitaţiilor şi a temperaturii aerului, a făcut posibilă observarea efectului perturbaţiilor tectonice asupra radonului din sol. Astfel, pentru o perioadă de doi ani, 1998–2000, seismogramele au indicat şase cutremure de pămînt cu magnitudine între 2,7–3,8 la distanţe de 70–320 km de locul monitorizării radonului, pentru toate acestea fiind evidente anomalii în concentraţia radonului cu circa două–trei săptămîni înainte de producerea cutremurului.
     Cum asemenea rezultate ale măsurătorilor sunt prezente în multe zone ale lumii, avem dreptul să afirmăm că semnalele precursorilor gazoşi reprezintă o alternativă credibilă în prognozarea cutremurelor. Nu ne rămîne decît să amplificăm numărul experimentelor, să perfecţionăm instrumentaţia şi să elaborăm teorii cantitative exacte privind legătura precursor-cutremur. 
     Date fiind cutremurele de adîncime medie care se produc în zona Vrancea considerăm că este necesară efectuarea unor studii sistematice şi aprofundate privind concentraţia de radon care să se finalizeze în baze de date şi hărţi spaţio-temporale de genul celor amintite mai sus şi pentru teritoriul Romîniei.
     Fără îndoială că măsurătorile referitoare la precursorii gazoşi, sincrone cu cele privind alţi precursori (termici, electromagnetici) vor permite predicţia din ce în ce mai corectă a cutremurelor de pămînt din zona geodinamic activă Vrancea.

??

??

??

??