集成微系统科学工程与应用重点实验室
The Key Laboratory of Integrated Microsystems

地震前兆简介

时间:2020-06-11

一、前言

地震是一种正常而频发的自然现象。全球每年发生的地震不计其数,其中大多数是微弱而无法感觉到的。但是极少部分的大地震破坏性极大,会给人民的生命和财产安全带来巨大的威胁。如1960年智利大地震、2004年印尼苏门答腊大地震和2011年东日本大地震等。我国也是地震频发的国家之一。受环太平洋地震带和喜马拉雅地震带的影响,我国的京冀地区和川滇地区属于地震“重灾区”,先后发生过1976年唐山大地震、2008年汶川大地震、2010年玉树大地震、2013年雅安芦山大地震和2017年九寨沟大地震等极具破坏性的强震。据统计,全球陆地中发生过的地震有三分之一是位于我国境内。

为了保护人民的生命和财产安全,减少重大地震灾害带来的严重损失和伤亡,地震预测的相关研究具有极大的意义。地震预测的研究目标不仅要提前预测地震是否发生,还要完成对地震三要素的预测,包括地震发生的时间、地点和震级。由于地震的发生机制十分复杂,地震三要素的准确预测是世界公认的难以解决的问题。目前国内外地震预报研究和地震预报的总体理论技术和实践水平还不高,远远无法实现地震准确预报的目标。但随着信息科学技术的不断进步,各种地震监测仪器被发明,积累了丰富的数据,使得现代地震学取得了一定的进展。

二、地震预测方法研究现状

关于地震预测的方法,国内外的研究主要有两个:一是基于历史地震的地震预测;二是基于地震前兆信号的地震预测。

基于历史地震的地震预测主要从历史地震目录中提取出特征值,通过统计学习的相关方法,挖掘历史地震事件在时间、空间和量级三个维度空间上的潜在规律和分布特点。这一研究方向上最具代表性的成果之一是古登堡-里克特定律(G-R Law)[1],阐明了地震发生频次与地震量级的统计关系。

基于地震前兆信号的地震预测主要通过震前观测到的前兆信号变化,来实现地震预测。这些前兆信号变化包括需要精密科学仪器才能观测到的微观前兆变化,如地磁场变化、地下电阻率变化、应力应变变化、重力场变化、地壳形变变化、同位素变化等;也包括人类能够直接感知的宏观前兆变化,如地下水位变化、地温变化甚至是野生动物的异常表现等。宏观变化受人类日常活动的影响较大,一般在地震预测中较少被采用。

近年来,由于信息技术的进步和地震监测设备的日益精密和发展,基于微观前兆信号来实现地震预测的方法越来越成为地震预测研究领域的重心。目前已取得一定进展的有地磁场变化、地电阻率变化、地电场变化、应力应变变化、同位素变化、电磁扰动变化、地声变化等。下文主要介绍这些微观前兆信号在地震预测中的应用。

三、各种地震前兆信号简介

1.地磁场变化

基于地磁场变化的地震预测方法又可以分为地磁场低点位移法[2]、地磁场幅值逐日比法等,其中低点位移法是主要方法。该方法原理为:地磁场垂直分量一般情况下每天规律性地高低波动,处于幅值或功率谱低值的时间叫低点时间。若一个区域内地磁台站的低点时间和相邻区域的低点时间相差两个小时以上,在地图上会出现一条明显的突变分界线,称为低点位移分界线。在2001年昆仑山大地震前观测到了明显的低点位移现象[3],且低点位移线经过震中。然而,由于地磁变化的复杂性,并非所有地磁低点位移都能与地震相对应。中国地震台网中心的姚丽[4]统计了2008年5月到2016年5月间低点位移法的预测效果,有效低点位移异常占总异常的38%。

图1 2001年11月14日昆仑山8.1级地震前地磁低点位移异常

    2.地电阻率变化

地电阻率法主要通过对地下介质电性参数的测定,研究介质电阻率随时间的变化与地震的关系。当大地震来临时,岩石之间相互挤压破裂导致视电阻率发生变化,这种变化又导致地表测得的地电阻率发生异常变化。在1975年海城地震和1976年唐山地震前都观测到了明显的地电阻率异常降低。但同时,又有大量的地电阻率异常不能与地震相对应,称为“无震异常”。中国地震局兰州地震研究所的解滔[5]统计研究了1998年至2008年期间地电阻率异常与地震的对应关系,有效异常占比为29.7%。

图2 1975年海城地震和1976年唐山地震前宝坻台的地电阻异常

 

3.地电场变化

目前,基于地电场变化的地震预测研究相比于地磁场和地电阻率要少一些。中国地震局地震预测研究所的席继楼等[6]使用合成能量累加法,基于地电场观测数据变化的能量累积,研究可能存在的地电场中长期异常变化信息并进行地震预测。该方法在玉树、芦山和九寨沟地震中起到了一定的预测效果。

4.应力应变变化

中国地震局的尹祥础[7]提出加卸载响应比理论:岩石进入损伤阶段后,试件的加载响应量小于卸载响应量,二者的比值即损伤变量。加卸载响应比能够刻画震源区介质的损伤程度,从而可能用于预测地震。该方法在中期地震预测中取得了一定的效果。

5.同位素变化

北京大学地球与空间科学学院的赵永红等[8]研究了活动断裂带附近地下水中的氢同位素变化与地震的相关性。分析结果表明:震前氢同位素δD值由背景值逐渐降低,震后升高,然后再逐渐回归背景值;且地震的级别越大,氢同位素δD值变化越显著。

图3 2009 年 1 月雅安周公山温泉水样氢同位素值变化曲线

    6.电磁扰动变化

电磁扰动变化在国内外学者的多次岩石破裂实验[9-10]中均被明显地观测到,因而被视为一种与地震发生关系密切的信号。在2002年台湾东海域地震、2008年汶川地震、2013年雅安芦山地震等多次地震中均观测到了电磁扰动异常现象[11-13],一般体现为幅值尖峰、功率谱尖峰等现象。然而,地震前电磁扰动的机理尚无明确物理解释,不同地震前的异常现象也各不相同。因此,电磁扰动变化与地震的相关性有待进一步研究和论证。

7.地声变化

声波信号也是在岩石破裂实验中被观测到的一种现象。当岩石受伸长、压缩或弯曲的力破碎时,会发出100Hz~10kHz之间的声波。A. Le Pichon等[14-15]通过国际监测系统发现了2001年昆仑山地震、2004年苏门答腊地震产生的次声信号。Walker[16]等通过次声阵列观测到了2011年东日本大地震产生的次声信号。目前对地声变化的研究较少,且观测到的多为地震产生的地声和相干地声。地声变化能否作为可靠的前兆信号有待进一步验证。

图4 昆仑山8级地震产生的相干次声波

五、结语

尽管国内外的地震预测已经取得了一定成果,但整体上对于地震的研究仍处于探索阶段。一方面,地震预测的整体水平较低,精确度不高。例如,中国地震局在1990至1998年间的地震预测平均R值平分仅为0.184(完全随机预测为0,完全准确预测为1)。另一方面,对于各种前兆信号的研究仍有待进一步推进。尽管这些前兆信号有一定的预测效果,但同样存在着大量非震异常。总体而言,人类离实现“天气预报式”的地震预测仍有很长的路要走。

 

参考文献

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[2] Jianhai Ding. Geomagnetic Low-Point Displacement Phenomena and Strong Earthquake Prediction Research[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2008, 23(6):1011-1017.

[3] Jianhai Ding, Xuhui Shen, Weiyan Pan, et al. Seismo-Electromagnetism Precursor Research Progress[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2006, 21(5):791-801.

[4] 姚丽. 地磁低点位移法应用进展[C]. 中国地震学会地震电磁技术专业委员会地震电磁新技术新方法研讨活动, 青海西宁市, 2016, 49-50.

[5] 解滔. 地电阻率长趋势变化及机理解释[D]. 中国地震局兰州地震研究所, 2011.

[6] 席继楼, 关华平, 刘超等. 几次大地震前后地电场中长期变化分析与研究[J]. 地震, 2018, 38(2):117-126.

[7] 尹祥础. 地震预测新途径的探索[J]. 中国地震, 1987(1):3-10.

[8] 赵永红, 白竣天, 李小凡等. 活动断裂带附近地下水中的氢同位素变化与地震关系研究[J]. 岩石学报,2011, 27(6):1909-1915.

[9] Zhu Tao, Jianguo Zhou, Hongqiang Wang. Electromagnetic Emissions During Dilating Fracture of a Rock[J].Journal of Asian Earth Sciences, 2013,73(8):252-262.

[10] Weimin Xu, Wushen Tong, Peizhi Wu. Experimental Study of Electromagnetic Emissions During Rock Fracture[J]. Chinese Journal of Geophysics, 1985, 28(2):73-83.

[11] 李军辉, 何康, 李玲利等. 高邮9级地震前滁州地震台电磁扰动异常分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2014, 35(Z3):108-112.

[12] Qinzhong Ma, Jingyuan Yin, Xuezhang Gu. The Electromagnetic Anomalies Observed at Chongming Station and the Taiwan Strong Earthquake[J]. Earthquake, 2003, 23(4):49-56.

[13] Tao Xie, Jie Liu, Jun Lu, et al. Retrospective Analysis On Electromagnetic Anomalies Observed by Ground Fixed Station Before the 2008 Wenchuan M_S8.0 Eqrthquake[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2018, 65(7):1922-1937.

[14] Le Pichon, J. Guilbert, M. Vallée, et al. Infrasonic Imaging of the Kunlun Mountains for the Great 2001 China Earthquake[J]. Geophysical Research Letters, 2003, 30(15):1814.

[15] Le Pichon, P. Herry, P. Mialle, et al. Infrasound Associated with 2004-2005 Large Sumatra Earthquakes and Tsunami[J]. Geophysical Research Letters, 2005, 32(19):19802.

[16] Kristoffer Walker, Alexis Le Pichon, Tae Sung Kim, et al. An Analysis of Ground Shaking and Transmission Loss from Infrasound Generated by the 2011 Tohoku Earthquake[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2013, 118(23):12-12,851.

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