地震预报方法研究

地震预报方法研究从全球范围来看,地震的发生与地壳活动性断裂有着密切的关系,破坏性地震总体呈带状展布。全球可划分出环太平洋地震带、地中海-喜马拉雅地震带、大洋海岭地震带及大陆裂谷系地震带4大地震活动带[1]。我国处在环太平洋与地中海-喜马拉雅2大地震带之间,是全球大陆地震较为频繁、地震灾害严重的国家之一,可见地震预报对于我国来说具有更加重要的现实意义。地震预报是对破坏性地震发生的时间、地点、震级的预报及对地震影响的预测。具体地说,它分为长期、中期、短期和临震预报4个阶段[2]。其中长期预报是数年至十几年的地震形势预测;中期预报是1年至数年内地震危险区及其地震强度预测;短期预报是震前半个月至数月的地震预报;临震预报则是几天至十几天的地震预报。其中临震预报是关键,针对性强,意义重大。2008年5月12日14:28发生在四川汶川的里氏8.0级强震,给人们的生命和财产造成了巨大的损失,引起我国政府乃至全世界的深度关注。因此,进一步加强地震预报方法的系统研究,已经迫在眉睫。我国对地震预报的研究始于1966年3月8日邢台发生的7.2级地震,之后,地震预报工作经过几代人不懈的努力,临震预报卓有成效,如我国成功预报了辽宁海城1975年2月4日的7.3级地震。由于地球的“不可入性”,虽然在地震预报方面我国取得了重要进展,但距离解决地震预报难题仍相差很远。1地震的概念及分类地震是在地壳表层因弹性波传播所引起的振动作用或现象,是地壳运动的一种特殊形式。地震时,地壳中发生震动的地方称为震源,它在地面铅直投影的地方称为震中,震中到震源的距离叫震源深度。地震按照其成因分为构造地震、火山地震和陷落地震。按震源深度分浅源地震(震源深度0～70km)、中源地震(震源深度70～300km)、深源地震(震源深度300～700km)。按应力状态和介质断裂特征分单一主震型、主震-余震型、前震-主震-余震型和群震型[1]世界上绝大多数地震是由于地壳构造活动带弹性应变能积聚而突然释放形成的构造地震,约占地震总数的90%。它分布广、强度大、危害大,震源深度一般为几km到几百km,最大达700km。据统计,大多数地震是发生在地表以下的数十km处的浅源地震,特别是在大陆上,95%以上的地震是浅源地震,破坏性地震也主要是浅源地震[1]。2地震活动的基本规律孕震、发震机制决定了地震活动的规律性。地震预报首先要遵循这个规律,由于地震活动的复杂性,目前对这个规律的研究还不完善,根据近年来学者的研究,综合给出关于地震发生的时间、空间和强度方面若干规律性的特点。其中,地震的发生与活动断裂带的特定部位有关、地震活动具有阶段性或周期性、强震活动沿着活动构造带依次迁移或往返跳动、地震区域里强震与弱震、大震与小震之间,往往存在着时空关系以及活断层的活动方式对控震的影响关系等规律[1]。3地震预报的方法3.1横波(S波)分裂[3]地震破坏力来自于震源所发出的地震波。地震波包括体波和面波。体波是通过地球本体传播的波,包括纵波(P波)和S波。S波分裂又称为S波双折射,是指横向偏振的S波在通过某种形式的有效弹性各向异性固体传播时,分裂成2个近似垂直偏振的震相,这2个分裂的震相具有不同的传播速度和不同的振动方向,这就意味着它们在粒子运动偏振图上会有特征性的差别。地壳中的岩石微裂隙在各种地球物理现象的变化中起着至关重要的作用,人们基于分析地震发生时发出的剪切波分裂现象,对上地壳岩石介质的各向异性开展了广泛深入的研究。Crampin等指出,地壳上部广泛存在含流体的微裂隙或孔隙,在应力作用下这些裂隙或孔隙沿一定方向呈优势排列,裂隙面与最小主压应力方向垂直[4]。由于近地表的最小主压应力通常是水平向的,所以裂隙在地壳中是竖直排列的,而走向与最大水平主压应力方向一致,因此从本构关系上讲,定向裂隙的存在使地壳介质呈方位各向异性,导致S波在传播过程中分裂成快S波与慢S波,其中快S波的偏振方向与最大水平主压应力方向大体一致。近年来对各种地质构造环境中的S波分裂观测和研究可以给应力场和地震预报研究提供有用的信息。我国自20世纪80年代开始研究S波分裂法,经过20多年的研究,提出了5种S波分裂的分析方法,即提取慢S波的自适应法、最大特征值法、波形识别算子法、最大似然法及线性变换法,并在部分强震震例研究中给出了S波分裂的地震前兆异常。3.2电磁波异常许多地震学家通过观测发现,地下电能在大震前数小时至数十小时产生相当强的电磁波异常现象,这对临震预报非常重要,说明电磁辐射与地震孕育有一定的客观联系。关于临震电磁辐射源的机理,国内冯竟等认为,震前电磁辐射源是在地球内部,并把电磁辐射现象作为地震临期预报的一种重要手段[5]。研究表明,电磁异常与台站附件的地震具有较高的相关性,地震的震级越大,其相关性越高,电磁异常的起始时间愈早[6];并且异常的持续时间与震级大小有关等[7]。我国20世纪90年代以来,加强了电磁波观测台网的建设,分析多种资料,根据地震电磁异常信息的波形、频段、幅值、强度、信号的方向性等来预测发震地点和发震时间等。故电磁波异常方法在地震预报中发挥了重要的作用。另外,这种异常强大的电磁波也会引起电器等的反常现象。如1995年1月17日日本大阪-神户7.2级地震前,神户所在的兵库县一个家庭的冰箱从15日夜间22:00左右响声突然增大,而且一直到地震后的17日白天才恢复正常。3.3次声波异常次声波异常是临震预报的一个重要的、较好的方法,次声波具有衰减小、传播远的特点。一般情况下,用频率0.04～0.10Hz次声波传感器及记录仪组成次声波观测系统,对7.0级的地震在震前能观测到次声波信号异常。震级大小由次声波异常幅度大小确定,北京工业大学地震研究室李均之发现,全球7.0级以上、近区5.0级以上的地震,一般在震前19d都有异常的次声波发生,频率在1Hz以下,声压愈强对应未来地震的震级愈大[8]。在大多数情况下,如果没有出现次声波异常,一般在未来9d之内不会发生大地震。但目前用该手段尚不能预测地震发生的地点。将来在条件许可时,利用多个次声点阵有可能交会测定出震源(次声源)位置。3.4地应力异常由于地球加速度的变化以及地球极移现象产生离心惯性力的切向分力、纬向惯性力引起大陆块滑动,地壳中的物质在惯性力作用下不断挤压产生地应力。地应力出现异常和突跳,一般可以作为地震发生前的短期信号。而李均之等研制的电阻应变法地应力传感器,将传感器埋入地壳(岩石或土体中),它有准确的计算公式,可以预测地震的发震时间、震级和发震地点[8]。但是并不是所有的强震在震前都能收到信号,这取决于震中所处的地质构造。3.5地壳变形地震前地壳、地理位置会发生变化。根据大地测量(如跨断裂带的定点水准观测、三角网复测等)所获得的地壳形变资料能判定该断裂带的活动性[1],通过布置台网,用地震仪测定某一断层发震的强度和频率。1970年1月4日,云南峨山县某测量队在工作时发现水准仪和经纬仪气泡反复摆动,无法正常测量,他们据此推测将有地震发生。果然,与该区相邻的通海于5日凌晨1:00发生了7.7级地震。另外应用各种地震观测技术,如应用全球空间定位技术(GPS)监测大范围地壳运动可以提供动态地壳形变图像,运用卫星遥感技术(RS)探测地壳热、电、磁等变化并提供时空动态变化图。这些资料信息都可以提供某一区域地壳的形变,作为预报地震的证据。3.6地磁异常[9]地磁场的分布和变化有较强的规律性。地磁异常可以反映太阳活动、星际空间、磁层、电离层、地壳、地幔以至地核中发生的与电磁有关的各种物理过程,因此地磁场时空动态的异常变化与大地震的发生有密切关系:一方面大地震(特别是震级8.0级的巨大地震)可能是地磁变化产生地区差异的主要因素之一;另一方面大区域地磁场时空动态变化,特别是剧烈的突变异常是有利于巨大地震发生的环境因素,强震前1～2个月内出现地磁低点位移;震前数天震中区出现日变化异常。利用地磁异常预测6.0级以上强震效果较好,其预测发震时间较准,但地区预测范围较大。1997年11月8日玛尼7.5级大震临震前,我国西部地区地磁日变异常显著,其中11月7日日变不但幅度、相位变化很大,而且日变畸变异常非常明显。此外,在用地磁异常预报地震时,必须考虑地磁正常背景场的变化。3.7地电异常[10]地电震前异常可能是由于震源地方微裂和预滑产生的电场,或是调整单元流体位移产生的过滤电势。近年来,希腊学者用优良的电极和观测系统曾成功地预测过若干个6.0级左右的地震。我国目前自制的电极,也曾成功预测过一些震例。在多数情况下,该异常变化出现在震前110d,持续时间为几分钟到1h,异常幅度为12mV/100m。李法曾发现利用地电场异常预测地震的时间可以确定到3d左右,并可预示未来地震发生的方向。其地电异常到发震时间符合倍九律,即震前倍九天的日期出现地电异常。3.8其他方法除了上述几种主要的地震预报方法以外,其他的预报方法还有小震活动异常法(预报了1999年11月29日12:10辽宁岫岩发生的5.5级地震)、卫星红外异常法(预报了1990年2月10日江苏常熟发生的5.1级地震)、地热异常法、地下气异常法、地下水异常法、地光异常法、气象异常法(主要包括雨异常、热异常、冷异常、大气混浊等)、生物异常法(主要包括动物异常、人类的异常以及植物异常)、加卸载响应比异常法、电离层电子浓度突降异常法和重力异常法等。这些方法在地震预报中也发挥了关键的作用,但他们与地震发生的直接耦合关系,还有待于进一步深化研究。4结语综上所述,地震预报是一个典型的复杂巨系统,地震是可以预测的。但需要说明的是,有异常有可能发生地震,也可能不发生地震,但没有异常也可能发生地震,地震预报难度非常大,所以地震预报目前至将来相当长一段时间仍将是世界性的科学难题。地震预报方法涉及到多种学科,用到多种观测方法,需要对震前的多种异常信息进行综合分析判断,才能作出准确的临震预报。这也决定了地震预报研究将是个长期的过程,