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汶川地震八周年祭－为了不让生命再被地震夺走
热度 2 池顺良 2016-5-10 12:01
汶川地震八周年祭－ 为了不让生命再被地震夺走 2008 年 5 月 12 日 ，共和国成立以来破坏力最大的地震瞬间就夺走了八万人生命。地震能不能科学预报，再次成为地震工作者不能回避的问题。 50 年前邢台地震，周总理要求科技工作者：“希望在你们这一代解决地震预报问题”。地震工作者努力攻关，工作中有成绩、更多的是失败和挫折。 在不能准确预报的情况下，漏报和虚报都会造成损失，而虚报往往多于漏报。正如一位网友所言：“当前的地震预报，一旦预报不准，每一次都会造成极大的社会问题，而政府则为每一次虚报造成的社会影响头痛。” 美国 Science 杂志在创刊 125 周年之际把“是否存在有助于预报的地震先兆”列为 125 个最具挑战性科学问题之一。有助于预报的地震先兆应该与地震发生有确定的关系。 中国地震局地球物理研究所陈运泰院士指出：“地震学家渴望探索、寻找到一种确定性的地震前兆－可以在所有大地震前必被无一例外地观测到，并且一旦出现这种异常现象，必无一例外地发生大地震。” 中国地震局地质研究所马瑾院士指出：“地震是突发形式表现的构造变形，有一个由慢变快的物理过程，怎么能没有先兆呢？ … 岩样压裂实验变形过程存在稳态、亚稳态、亚失稳态、失稳态 4 种状态 ( 见图 1(a) 和 (b) ) 。它们分别以应力 - 时间曲线上的偏离线性点 ( 屈服点 M ) 、峰值应力点 ( 强度极限点 O ) 和（ 失稳点 B ) 分割。众所周知，在稳态阶段，断层处于弹性变形阶段，只要外力撤除，变形立即恢复。在亚稳态阶段断层处于偏离线性阶段，外力撤除，一部分应变立即恢复，另一部分以缓慢方式逐步恢复，而局部损伤区无法恢复，进入亚失稳阶段 ， 即使外载不再增加，断层亦可进入自失稳演化阶段。随着变形程度增加，断层由准静态释放转变为不可逆转的准动态释放，最终失稳。 从亚稳态转变为亚失稳态的核心是发震断层进入了不可逆变形过程，它标志着地震不可避免地会发生。不可逆过程的存在是地震可预报性的基本逻辑基石。抓住亚失稳阶段的特点也就是找到了与地震发生有唯一关系的过程。 以往从物理、化学以及生物角度的观测只是力学过程引起的结果，它们与力学过程之间的关系不是唯一的，而断层所处的应力状态才是本质。” 图 1 一次黏滑事件中差应力 - 时间过程 (a) 及变形阶段的划分 . (b) 为 (a) 中红框所示时段的放大 ; (c) 断层结构、加载方式 ; (d) 沿断层不同测点应变随时间的变化 . 字母表示关键变形时刻 , L, 起始点 ; M, 屈服开始点 ; N, 强屈服点 ; O, 强度极限点 ; A, 准静态向准动态释放转换点 ; B, 失稳点（引自文献 ） 马瑾强调，识别地震前断层所处的应力状态是关键，观测地层应力、应变变化，识别 亚失稳阶段 极为重要。 马院士接着指出：“亚失稳态 (OB) 是断层发震前的最后阶段，亦是地震前各物理量变化最突出的阶段。因此，亚失稳阶段应是震兆最丰富，变化最激烈的阶段。”能够接收到这个变形阶段发出的应变（或其它）信号，就有可能寻找到“有助于预报的地震先兆”。 问题是我们能否观测到断层进入自失稳演化阶段发出的信号，即使观测到了，又是否能识别。识别出已进入亚失稳阶段，距离破裂的时间究竟还有多长，是几分钟还是几个月都影响这种地震先兆“是否有助于预报”。 这些问题的解答只能在强震现场地震发生前后，连续应变观测获得的大量应变数据分析中获得。汶川地震前后，离震中 150 千米的姑咱台分量钻孔应变仪记录了九年连续应变数据，从数据分析中认识到： 大自然在汶川大地震发生前确实向人类发出了“有助于预报的地震先兆”。 对此，我们经历了如下四个认识阶段： 1 ）发现应变记录异常 中国地震局十五“数字地震网络工程”在全国布设 38 个分量钻孔应变观测台。离汶川震中最近的姑咱地震台，分量钻孔应变仪于 2006 年 10 月 28 日安装，当年 11 月 1 日产出数据。图 2 是距汶川地震还有 15 个月时， 2007 年 2 月 1 日至 3 日的应变记录，固体潮记录十分清晰，只在 3 日的数据上有一个很小的不易发现的压性小台阶。 2. 姑咱地震台分量钻孔应变仪 2007 年 2 月 1 日 至 3 日的应变固体潮记录，曲线清晰而光滑。 离地震发生时间靠近，原先清晰光滑的固体潮记录变得不规则，固体潮上叠加了越来越多、幅度越来越大的脉冲和阶跃。图 3 是距汶川地震还有 11 个月时， 2007 年 6 月 24 日的应变记录。图 3 是将 4 路应变分量分离为球量（应变 1 ＋应变 3 ）、（应变 2 ＋应变 4 ）和偏量（应变 1 －应变 3 ）、（应变 2 －应变 4 ）绘制的。球量（应变 1 ＋应变 3 ）、（应变 2 ＋应变 4 ）都等于平行于地面的面积应变。（应变 1 ＋应变 3 ）＝（应变 2 ＋应变 4 ）就成为检验四路应变数据是否自洽的条件方程。―只要观测数据满足自洽方程，记录到的应变就是地层中真实出现的应变变化。 图 3.2007 年 6 月 24 日的应变记录，阶跃数量增多、幅度更大。 1+3 面应变与 2+4 面应变高度相关，说明记录到的是地层真实的应变变化。 图 3 中 474 分钟出现的压性阶跃到 481 分钟完成，耗时 7 分钟，阶跃幅度 6.4 × 10 -9 应变。这类时间常数达数百秒的应变变化通常由经典地震仪监测不到的“慢地震”产生 。姑咱台应变探头安装在坚硬的花岗岩地层 40 米深处。在地面临近钻孔处施加载荷，让探头产生 6.4 × 10 -9 应变，需要施加上千吨载荷。如果当时认识到这种应变阶跃是地质、地震活动的反映，就会在附近地区增设分量应变观测点，加密观测，进一步对比确认是否异常，并获取更多信息。可惜，有关的分析报告将此异常归为水位干扰，未作进一步部署。但此后的发展表明，情况越来越严重。图 4 是 2008 年 2 月 14-18 日的应变记录。记录的固体潮曲线上叠加了大量脉冲和阶跃，就像患严重心脏病人的心电图，正常的固体潮记录已完全变形。 图 4. 距汶川地震不到 3 个月时， 2008 年 2 月 14-18 日的应变记录，正常的固体潮记录已完全变形。 姑咱台分量钻孔应变仪是博主设计、制作、安装的，仪器有没有问题？必须稿清楚。博主于 08 年 3 月 16 日携带外接数采设备到四川姑咱台检查，发现仪器无故障，工作正常。与有关方面联系，建议尽快增设比对观测，确认或排除异常。但不久，汶川大地震就发生了。 造成巨大灾害的汶川大地震没有成功预报，再一次引发社会和地震界内部对大地震能不能成功预报的争论，焦点之一是汶川地震之前到底有没有异常信号？有没有地震前兆？ 2 ）认识到姑咱台分量钻孔应变异常是汶川地震前兆 中国地震局反思、总结，局内科技人员根据汶川临近台站应变观测数据的科学分析、震后第一批关于姑咱台分量应变异常是汶川地震前兆的文章发表。 2009 年 8 月（收稿日期 2009 年 3 月），《 大地测量与地球动力学》上发表中国地震局地壳应力研究所邱泽华、周龙寿的文章“用超限率分析法研究汶川地震的前兆应变变化”。文章指出：“汶川地震前，姑咱台钻孔应变仪观测到频繁的周期从数分钟到数小时的脉冲变化，经过高通滤波，可看出姑咱台钻孔应变仪观测到的脉冲异常变化与汶川地震有明显的相关性。 … 用超限率分析法，对这种前兆异常进行了系统的、定量的分析。这种前兆现象其统计特征与岩石破裂前的声发射现象类同。可能反映了地震前小尺度的岩层破裂。对姑咱台观测到的地震前兆信号的确认，可为地震预报提供新思路和新方法。有特别实际意义的是：这种对短周期信号的超限率分析，避开了在长趋势变化分析中难以识别零漂的困难，并且容易与各种常见的干扰影响区分开，是一种比较可靠的分析方法。” 2010 年 5 月（ 收稿日期 2009 年 9 月），《中国科学：地球科学》上发表 邱泽华、张宝红、唐磊的文章“汶川地震前姑咱台观测的异常应变变化”。文章指出：“在全国 100 多个钻孔应变台中，姑咱台距震中最近，也只有该台记录到这种异常变化。该台钻孔应变观测的良好的自检结果，说明了观测应变变化的可靠性。这种持续出现的异常变化与季节变化明显不同步，不是环境干扰因素造成的。异常变化与长期趋势变化以及同震阶跃变化的一致性，进一步说明这种异常应该是构造运动的表现。这种异常变化在汶川地震主震前逐渐增大，震时特别剧烈，震后逐渐衰减，显示了与该地震相当密切的相关性。姑咱台的观测应变变化与唐山地震前观测到的应力变化有相似之处，说明这种异常可能具有普遍意义。姑咱台观测到的异常应变变化可能是极其重要的。如果应变地震前兆是这种形态的，那么中短期地震预报研究就有希望迈出关键的一步。这不仅因为这种应变变化包含丰富的信息，还因为它与正常变化以及众多干扰影响都不同，容易识别，并且是持续发展的，使我们有可能把握其进程作出比较可靠的判断。” 2011 年 8 月（ 收稿日期 2010 年 12 月），《 大地测量与地球动力学》上发表中国地震局地震预测研究所刘琦、张晶的文章“ Ｓ变换在汶川地震前后应变变化分析中的应用”。文章引入时频分析中的Ｓ变换方法，“对距离汶川震中 1500km 范围内的 20 余个台站的四分量钻孔应变数据进行分析。结果表明，只有姑咱台的观测记录在汶川地震前显示比较明显的异常，其特点为：在周期为 2 ～ 4 小时的背景信号的基础上，周期约 10 ～ 60 分钟的信号在汶川地震前开始大量出现，震后逐渐衰减；且频率越高的信号震前出现越晚，震后衰减越快；背景信号的能量最大，其能量值整体随着接近地震有明显的上升趋势，主震之后由于受余震的影响，使得部分时间点的震后能量大于震前能量，但能量值整体呈现逐渐衰减的趋势，与汶川地震有较好的相关性。 … 通过仪器的自检关系，基本排除了姑咱台仪器故障的可能性； … 这类畸变信号应该是与地震密切相关的。这种异常变化可能与地震前区域应力调整，不同尺度的岩层破裂以及岩层中不断发生的次生裂隙有关。” 以上科技文献均认为姑咱台钻孔应变异常与汶川地震密切相关，“确认汶川地震前姑咱台钻孔应变仪观测到的频繁的脉冲变化，是地震前兆信号。” 距离汶川震中 1500km 范围内的 20 余个四分量钻孔应变台站，只有距震中 150 千米的姑咱台观测记录在汶川地震前有明显前兆显示，为之后地震前兆监测网建设台钻间距的确定提供了重要参考。 也有认为姑咱台分量钻孔应变数据不存在异常情况的文章。 2011 年 5 月 （ 收稿日期 2010 年 3 月），《地震学报》上发表四川省地震局预报研究所所长程万正等的署名文章“汶川 Ms8.0 地震前四川地区前兆异常及其统计分析”。文章的主要结论是：“震前仪器微观监测台或测项多数没有观测到突出异常现象。本文中其它没有提及的观测手段或观测项的资料，经过研究也没有分析检测出异常项。 … 震前仪器微观监测台或测项大多数没有监测到短临异常， … 与龙门山断裂带观测手段或测项少有关。” 但文章对位于龙门山断裂带上的姑咱台分量钻孔应变仪观测数据却没有作具体分析，归于“没有提及的观测手段或观测项”，与四川地区 21 个钻孔应变台一起，在文章表 1 中列为没有异常的测项。 文章对形变类仪器均采用日均值数据作异常分析，而姑咱分量应变异常主要是延续时间数分钟至数十分钟的脉冲或阶跃信号，在日均值中这些信号均被抹去，这种不科学的分析只会得出错误结论，遗害无穷。 3 ）姑咱台钻孔应变异常是汶川地震成核过程中发出的确定性地震前兆 历史地震记载及半个多世纪地震预报实践已经证明强震是有前兆的。但地震前兆种类繁多且常因地而异。既存在有前兆有地震、无前兆无地震；也存在有前兆无地震、无前兆有地震的情况。实现地震预报需要找到与强震孕育有直接关系的确定性地震前兆。 地震学研究指出，要发生大地震，必须存在成为地震“种子”的破裂过程。破裂首先在断层面的“脆弱区域”发生，随着区域构造应力增大，通过震前断层蠕动、静地震与慢地震活动等方式，脆弱区范围逐步扩大直到边界应力集中，微裂隙区域不断扩展，达到岩石强度时，地震发生。 地震发生前的这一过程称为“地震成核”。地震成核是地震孕育过程中的一个至关重要的阶段，也是地震失稳破裂的一个必要条件。一些作者认为，“脆弱区域”的发生和扩大的尺度可以达到强震破裂带长度的十分之一。按此估算，汶川大地震前，破裂脆弱区域的尺度可以达到 30 千米。 汶川地震的成核过程中伴随大量断层蠕动、静地震与慢地震活动的应变扰动要传递到姑咱台，就要通过微裂隙不断扩展的介质连续性遭到破坏的区域。 四分量钻孔应变观测数据满足自洽方程： S1 ＋ S3 ＝ S2 ＋ S4 （ 1 ） 钻孔应变观测的计算公式是在李四光力推钻孔应力应变观测年代，由力学家潘立宙根据弹性力学中无穷大弹性薄板中圆孔变形的模型导出。可由 3 个以上不同方向孔径变化计算地块应变变化，奠定了我国地应力地应变观测的理论基础。（潘曾任上海应用数学和力学研究所副所长，所长是钱伟长） 半个多世纪来，无论是初期的压磁应力仪还是新型的电容式应变仪，都要依靠潘氏公式处理观测数据。 在潘立宙的理论推导中隐含了一个前提：无穷大弹性薄板是均匀、连续的。均匀、连续假定是实际地层状况的一种近似。 我国分量钻孔应变前兆台网建成后，一批在地震活动平静期多年观测的台站数据表明，无论是几天的短期数据还是多年的长期数据， k 值都能超过 0.99 ，说明均匀、连续性假定是足够精确的。 但强震孕育地区却不会始终满足“均匀、连续”假定。强震孕育必定在“存在裂隙，裂隙系统甚至在不断扩展”的区域中发生。那么，在强震孕育或邻近地区的分量钻孔应变观测数据是否会出现 S1 ＋ S3 ≠ S2 ＋ S4 ，即自洽方程（ 1 ）遭到破坏的情况呢？ 如果发现自洽方程随时间发展破坏程度越来越大，就能知道台站所在区域地层出现 “裂隙系统在不断扩展”的情况而引起高度注意。 2014 年 9 月，博主重新检查姑咱台原始观测数据，发现自洽方程（ 1 ）的确随着强震临近，遭到越来越严重的破坏。图 3 、图 5 、图 6 是 S1 ＋ S3 与 S2 ＋ S4 相关系数 k 值随强震临近逐步降低的情况。 图 5. 2008 年 2 月 18 日的应变记录， 1+3 面应变与 2+4 面应变的相关系数 k 已降低至 0.9745 。 图 6. 2008 年 4 月 24 日的应变记录， 1+3 面应变与 2+4 面应变的相关系数 k 已降低至 0.8824 。 到 2008 年 4 月 24 日，（ 1+3) 和（ 2+4) 两路面应变曲线差别更为明显， k 值已降到 0.88 。（图 6 ）18天后，汶川大地震爆发。 姑咱台接收到的应变信号中包含了来自不同应变源的成分，强震到来前自洽性下降的是那些“脉冲和阶跃”异常应变部分，当观测数据中不含有这些成分时，自洽性并不下降。 图 7 是 2008 年 5 月 4 日的应变数据。 5 月 4 日，离强震发生还有 8 天，是临震前没有出现脉冲、阶跃等异常应变罕见的一天。两路面应变的相关系数 k ＝ 0.99978 。说明造成应变数据失洽的是脉冲、阶跃等异常应变部分。 图7.姑咱台2008年5月4日应变数据，强震发生前夕固体潮上没有出现阶跃、脉冲罕见的一天。 两路面应变相关系数高达0.9998。 正是汶川地震成核区不断生长扩大，破坏了介于震源和姑咱台之间介质的连续性条件，导致了姑咱台观测到的应变脉冲和阶跃数据从自洽向失洽转变。 姑咱台应变数据中脉冲和阶跃成分从自洽向失洽的转变，说明附近地区地震成核过程正在进行中，失洽度快速增大说明成核过程即将完成，强震即将爆发。 如果我们在汶川周围有多个钻孔应变观测台（或及时增设观测台），同步记录到这些应变扰动，就有可能定出这些慢地震的位置，圈出孕震成核区的范围，把握成核区的扩张情况，对于确定未来的震中位置及震级大小都将起到重要作用。 遗憾的是，到目前为止该地区仍只有姑咱一个钻孔分量应变观测台。根据陈运泰院士分析，汶川、芦山以南，龙门山断裂带西南段宝兴 - 小金一带存在发生 M W 6.7~7.3 地震的潜在危险性 。加强该地区的应变前兆观测迫不及待。 4 ）姑咱台应变前兆正是地震界努力寻找的“有助于预报的地震先兆” 2016 年初，马瑾院士在《科学通报》上发表“从‘是否存在有助于预报的地震先兆’说起”。岩样压裂实验变形过程存在稳态、亚稳态、亚失稳态、失稳态 4 种状态，进入亚失稳阶段 ， 即使外载不再增加，断层亦可进入自失稳演化阶段。只要找到地层应力值达到强度极限点 O 的特征信号，就能确定强震不可避免地会发生。捕捉到的地震前兆就是“有助于预报的地震先兆”。 受马院士文章启发，博主重新检查姑咱台 7 年原始观测数据，果然找到了地层应力值达到强度极限点 O 的特征信号。 文献 指出， “ 这种前兆现象其统计特征与岩石破裂前的声发射现象类同。” 对岩石加载破裂全过程声发射现象的研究指出，在加载接近峰值强度时监测到的声发射事件率明显下降，出现声发射相对平静期，岩土工程据此预测工程灾害事件。 将汶川地震孕震过程与岩石破裂实验类比，应变脉冲异常事件看成岩石破裂实验中的声发射现象，出现脉冲异常事件平静阶段，表明加载已达峰值强度。此时段与马瑾先生岩石破裂实验中的“强度极限点 O ”对应。 平静期后事件计数恢复上升表明加载已越过峰值强度，进入“准静态向准动态释放转换点 A ”，最后不可避免进入失稳点 B ，岩石破裂。 在 2007 － 2013 年 7 年中，姑咱台附近发生了 2008 年 5 月 12 日汶川 8.0 、 2013 年 4 月 20 日芦山 7.0 两次强震。在这两次强震前后，姑咱台每天应变固体潮上脉冲和阶跃都不少。汶川地震前 18 个月中，共出现阶跃、脉冲 3766 个。平均每天 6.9 个。但在汶川大地震发生前的 2007 年 11 月，却出现连续五天固体潮记录曲线上没有一个脉冲和阶跃的“事件平静期”。在芦山 7.0 强震发生前的 2013 年 2 月，也出现了连续多天固体潮记录曲线上没有一个脉冲和阶跃的“事件平静期”。图 8 是芦山地震发生前 2013 年 2 月 10-14 日的连续记录数据，固体潮曲线十分光滑和规则，上面没有一个阶跃或脉冲。汶川地震发生前“事件平静期”期间的固体潮记录也是如此规则与光滑。 图8.姑咱台2013年2月10-14日芦山地震前事件平静期的应变数据，连续五天 固体潮上没有出现阶跃或脉冲。14日21:13记录到俄罗斯东北部7.3级地震。 就像大战前战场死寂般平静预示大战即将爆发，“事件平静期”出现，则告知我们地层承受应力的能力已达极限。平静期后，事件计数恢复上升表明地层加载已越过峰值强度，失稳已不可避免。 马瑾先生岩石破裂实验中从地层应力值达到“强度极限点 O ”到破裂发生的“失稳点 B ”，只有 6.4 秒钟时间（见图 1 ）。汶川地震事件计数出现平静期到强震发生还有五个月，两者时间相差二百万倍。 岩石破裂实验应变加载速率为 10 -7 ╱ s ，大地构造运动的应变速率通常在 10 -13 ～ 10 -15 ╱ s ，两者加载速率相差也达百万倍。大自然和人类活动不同的时间标度，给了我们防备强震袭击的时间。 震前异常事件计数出现平静期，之后事件计数又恢复上升直至地震这一现象，是汶川、芦山地震发出的“有助于预报的地震先兆”的又一标志。 汶川地震前后附近只有姑咱一个分量应变观测站，如果有多个观测站，记录数据就能互相比对，立即引起各方高度重视而进入加强监测状态。多台仪器同步记录将能确定应变源位置及成核过程的动态发展，更准确地确定震源位置等重要参数。 我国是地震灾害很严重的国家，防震减灾工作时刻不能忽视。在掌握了地震孕育与发生的规律后，只要在地震危险区适当位置布设精密观测仪器，我们就能观测到，并能识别出“有助预报的地震先兆”，从而挽救人的生命，减少财产损失。 实验室岩石加载实验与强震发生现场条件存在巨大差异。孕育地震的地质构造类型众多，从汶川、芦山地震观测实践中得到的认识，具有普遍性还是特例，还要回到实践中接受检验、充实完善。 地震科学是观测科学。在观测仪器性能达到科学性要求后，加速观测台网建设，布下“天罗地网”，不放过每一个强震震例并仔细解剖，总结出强震孕育的可相互验证、更为全面的认识和规律。世人关切的地震预报难题就能尽早破解。 参考文献 陈运泰、吴忠良、吕苑苑，地震学今昔谈 ，济南：山东教育出版社， 2001 年， 56~63. 马瑾，从“是否存在有助于预报的地震先兆”说起 ，科学通报， 2016 ， 61 ： 409~414 川崎一郎，陈会忠等译，何谓慢地震－探索巨大地震预报的可能性 ，北京：地震出版社， 2013 年， 25~38. 王迪晋、李正媛、吕品姬，慢地震研究综述 ，大地测量与地球动力学， 2007 ， 27(Spec.):21~28. 吴忠良．地震学中的“暗物质”—静地震与地震预测研究的未来 . 国际地震动态， 2001,(9):1~5. 邱泽华、周龙寿，用超限率分析法研究汶川地震的前兆应变变化 , 大地测量与地球动力学 ,2009,29(4),1~4 邱泽华、张宝红、唐磊，汶川地震前姑咱台观测的异常应变变化 , 中国科学 : 地球科学 , 2010,40(8): 1031~1039 刘琦、张晶，Ｓ变换在汶川地震前后应变变化分析中的应用 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个人分类: 钻孔应变仪地震前兆观测技术|5779 次阅读|4 个评论
用应变固体潮测到山西裂谷新一波扩张信号
池顺良 2016-2-23 10:36
序：板块碰撞难以解释中国大陆内部发生的大地震。如在山西裂谷区中发生的原平 7.5 级（ 512 年）、洪洞赵城 8 级（ 1301 年）、临汾 8 级（ 1695 年）等破坏性大地震就无法用板块碰撞解释。 山西裂谷形成始于上新世，至今仍在扩展，强震伴随裂谷扩张发生。本文介绍由山西裂谷区应变观测得到潮汐玫瑰图的有序变化。日本东海 9 级地震后，山西裂谷区出现新一波扩张活动，扩张活动的特征信号被应变仪观测到。 山西裂谷系位于吕梁隆起与太行隆起之间，南起渭河裂谷，经运城、临汾、太原、忻－定、蔚－广盆地，向东北延至大同、延庆、怀来盆地，总的走向形态呈“ S ”形，在地貌上为一连串的山间谷地。（图 1 ） 2011-2012 年，山西地震局在三个地震台布设了分量钻孔应变仪，已记录到四年清晰的应变固体潮数据。固体潮是地球科学中唯一有理论值可计算并可预测其变化的可观测力学量。通过 固体潮 观测值与理论值比较，能够有根据地判断裂谷区断块间接触状态紧密或松弛的变化，由此可以判断裂谷区处于相对稳定状态还是正在经受拉伸、扩张。图 1 中由红三角标志的由北向南的三个观测站以 1 、 2 、 3 号观测台称呼。 图 1. 山西河北裂谷系展布图及三个应变观测站位置 地壳被拉伸，地层断块一侧失去支撑，发生侧倾。掀起部位形成大山，如五台山、吕梁山；断块倾没处被沉积层覆盖形成盆地。强震则在断块位置发生调整过程中发生。图 2 是山西裂谷带两侧断块山与山间盆地形成的示意机制图。 图 2. 大同－五台掀斜断块构造横剖面（图 1-2 引自 杨承先， 1981 ） a. 地质剖面示意图 b. 断块掀斜倾侧活动形成大山与盆地机制示意 地壳被拉伸是裂谷区形成的力学背景。华北地区新生代拉分盆地从始新世开始发育，此时正是青藏高原快速隆升时期。高原物质的重力势能推动塑性的中、下地壳物质向洋流动。脆性的上地壳，在从底部来的拉张力作用下，地层产生张性正断层，在重力作用下形成掀斜倾侧的众多断块，发育出一系列断层走向垂直于中、下地壳物质流动方向的拉分盆地。 华北地区形成了近 70 个半地堑或地堑式断陷盆地。由地质资料估算，盆地的伸展速率约 0.12mm/ 年，图 3 是中地壳塑性向洋流动带动上地壳形成拉分断陷盆地的示意图。 图 3. 中地壳塑性层向洋流动带动上地壳形成拉分断陷盆地（（引自马杏垣主编，重力作用与构造运动，地震出版社， p.133 ， 1989 ） 1． 壳内物质重力扩展塑性向洋流； 2 ．沉降断陷盆地高热流区； 3 ．上地幔 分辨率与观测精度越来越高的 GPS 和北斗系统，通过多年观测数据积累虽有可能观测到裂谷的扩张。但每年 0.12mm 的扩张速率实在太小，难以实时监测到裂谷扩张运动。布设于裂谷周边或内部，钻孔应变固体潮观测则能敏感地发现裂谷区断块间接触状态紧密或松弛的变化，由此判断裂谷区是处于相对稳定状态还是正在经受新一波拉伸、扩张。 图 4 是台站观测四路应变中某一路应变分量的一个月应变固体潮记录，图上的地震是尼泊尔 7.5 级地震震波。 图 4. 台站一个月应变固体潮数据，清晰的固体潮记录是绘制玫瑰图的基础数据。 图 5 是根据山西 2 号台固体潮数据分析计算得到的，从 2012 年 10 月到 2016 年 1 月的 6 条潮汐响应方向玫瑰图曲线。 图 5. 山西 2 号台从 2012 年 10 月到 2016 年 1 月潮汐玫瑰图的收缩变形 地震活动性小的地区，潮汐玫瑰图图形相对稳定。图 6 中大的玫瑰图是地震不活动地区的， 9 年中潮汐因子变化不超过 6 ％。与山西裂谷区 2 号台站测得的图 5 对比，不难发现两者间有两点重要区别。一是稳定区潮汐因子值明显大于裂谷区；二是稳定区图形稳定，裂谷区多变，三年中潮汐因子变化达到 46 ％。图 6 是将图 5 的玫瑰图形与稳定区玫瑰图放在一起的图件。 图 6. 稳定区玫瑰图与山西 2 号台玫瑰图大小的比较，小玫瑰图为 2 号台的。 两个台玫瑰图大小相差竟如此之大！ 应变固体潮潮汐因子值变化的经典解释是地壳介质弹性模量等物性常数变 化所致，按此解释变化量不会超过 3 ％。造成理论与观测不符的原因是： 理论固体潮计算将地壳圈层简化为无断裂的连续体，实际地层中到处是断裂，这些断裂在构造稍有活动时，两侧地层及底下断层的接触状态就会发生松或紧的变化，位移量很小， GPS 或地表应力测量均难以发现，却能明显改变应变固体潮通过断层传导的能力。 固体潮是日月引力作用在地球整体上的反映，质量最大的部分是地幔，地壳圈层质量小，对固体潮的贡献很小。在地表观测到的应变固体潮主要由地幔通过地壳介质，从下方及四周传导上来，通过断裂系统后被地表仪器接收到。 稳定地区也有断层，长期稳定断层会逐渐“愈合”，潮汐波传递效率提高，因而潮汐因子数值大而稳定少变。裂谷区断层接触状态不稳定，潮汐玫瑰图就多变。接触状态不稳定的断层难以 “愈合”，潮汐波传递效率很低，于是玫瑰图形明显小于稳定区。 2 号台玫瑰图变化的特征是，南北向潮汐因子变化不大， 90 °东西方向潮汐因子变化率最大，达 59 ％，也是潮汐因子缩得最小的方向。由此，我们推断， 2 号台地块下部的断裂系统东西向的松弛最为显著而使东西向潮汐波的传递效率不断降低。断裂系统东西向松弛，正是裂谷在东西方向被拉张扩张的结果。 图 7 是 1 号台从 2011 年 12 月到 2015 年 12 月的潮汐玫瑰图。 该台玫瑰图的特点是：从 2011 年 12 月到 2012 年 1 月，一个月时间东西向（ 100 °方位）潮汐因子从 1.28 降至 1.19 ，降低了 7 ％。从 2012 年 1 月到 2012 年 12 月，潮汐因子从 1.19 降至 1.02 ，降低了 14 ％，收缩速率降低了 5 倍。从 2012 年 12 月后，收缩速率越来越慢， 2014 年与 2015 年玫瑰图已基本重叠。南北方向潮汐因子基本没有变化。 图 7. 山西 1 号台 2011 年 12 月到 2015 年 12 月潮汐玫瑰图东西方向的收缩变形 图 8 是 3 号台从 2011 年 11 月到 2015 年 12 月的潮汐玫瑰图。 图 8. 3 号台 2011 年 11 月到 2015 年 12 月潮汐玫瑰图东西方向的收缩－扩张变形 该台玫瑰图的特点是：从 2011 年 11 月到 2011 年 12 月，一个月时间北东向（ 50 °方位）潮汐因子从 0.53 降至 0.44 ，降低了 17 ％。 2011 年 12 月到 2012 年 12 月，一年中潮汐因子从 0.44 降至 0.425 ，仅降低了 3.4 ％。从 2012 年 12 月的绿线，收缩成 2013 年 6 月的淡兰线，半年后收缩变为扩张到 2013 年 12 月的粉红线。之后两年仍在扩张，但速率已变慢。 这三个台中， 2 号台的变化最值得注意：一是这个台的潮汐因子值小得出奇；二是玫瑰图东西向收缩的速率至今没有降低的迹象， 2015 年 12 月到 2016 年 1 月一个月时间， 60 °方向潮汐因子从 0.0692 降到 0.0637 ，降低 8 ％，至今速率未降还有所增加！ 之后会发生什么，我们完全没有经验。对一个尚处于生长期的裂谷带，出现一波接一波扩张活动，也许只是常态活动，但也可能是值得注意的异常信号。欣慰的是我们已经能够摸到它活动的脉搏了！ 玫瑰图还会接着缩小还是之后又逐渐恢复或是发生想象不到的其他变化我们不得而知。我们要密切跟踪这三个台玫瑰图的变化。至少要完整记录下全部数据，留下一份资料。
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钻孔张量应变地震仪观测数据的自恰性
池顺良 2015-5-9 14:27
钻孔张量应变地震仪观测数据的自恰性 （一）应变地震仪的发展 钻孔张量应变地震仪观测数据的自恰性 贝尼奥夫（ 1935 年）认识到，在记录特长周期振动时，非摆式的应变地震仪（伸缩仪）具有更大的优越性。 1960 年 5 月 22 日智利大地震，贝尼奥夫用伸缩仪观测到周期约 1 小时的多种频率长周期波动，用观测证实了地球自由振荡的存在。应变地震仪的观测频带，高频可达 kHz ，低频可逼近零频，可记录摆式地震仪不能记录的固体潮、静地震等地层缓慢运动信息。 图 1 是我国新疆某形变观测山洞中的伸缩仪。图中两台长条形仪器沿山洞长廊布置。左面是石英管伸缩仪，右面是长水管倾斜仪。图 2. 是地壳变动连续观测台标准山洞硐室。 图 1. 新疆某形变山洞中的石英管伸缩仪，右侧是长水管倾斜仪。 图 2. 地壳变动连续观测台的标准坑道。 在观测站山体中架设三台不同方向伸缩仪，可获得观测站所在地层水平面内主应变数值及主应变方位三个未知量。 应变仪同地震仪都建立在微位移测量技术基础上。不同的是，地震仪测量地面与惯性质量块间的相对位移，观测量是向量；应变仪测量地面长度同基准杆比较的长度变化，观测量是应变张量。 沿水平方向传播的简谐纵波，地动位移 1 微米，周期 1 秒的地震波引起地层应变幅值约 1 × 10 -9 （设纵波速度 C=6km ∕ sec ），长 100 米的石英管伸缩仪测量端位移幅值仅 0.1 微米。 开凿山洞费用很高，位置选择也受限制，地震学家开始研制造价相对低廉的钻孔应变仪。钻孔应变仪基准杆长度约 0.1 米，其微位移测量传感器的分辨率需要比地震摆高 4 个数量级。得益于电子测微技术的进步，目前钻孔应变仪的应变分辨力已不低于长基线伸缩仪， 让人关注的是这类小尺度仪器能在多大程度上提供测点所在地层真实的应变变化。 （二）钻孔张量应变地震仪观测数据的自恰性要求 1966 年邢台地震，地震预报被提上日程。李四光力推观测地应力、地应变预测地震的技术路线，亲自组织第一代压磁式钻孔应变仪研制。之后经过两代人努力，从压磁、钢弦到电容传感技术，经过近四十年试验改进，性能终于达到了科学仪器的要求。 钻孔应变仪位移分辨率需要达到千分之几纳米，比测震仪位移灵敏度高 3 个数量级；机械零件装配中的游隙，甚至长度测量基准杆本身的不稳定都会使测量数据产生零漂和噪声；应变探头同地层如何耦合；这些都需要实地观测试验逐步解决。 记录到清晰的应变固体潮是钻孔应变仪研制起初 20 年要解决的问题。 1980 年代中期，能清晰记录到应变固体潮的钢弦式、电容式钻孔应变仪先后通过国家鉴定。但这并不能说明仪器已达到了应变观测科学性的要求。 在伸缩仪上就已发现，山洞中两台同方向伸缩仪短期观测数据显示的固体潮图形基本相似，但数月以上长期变化数据却互不相关。（图 3 ） 图 3. 某硐室观测台两台相同分量伸缩仪短期记录相关，长期记录不相关的情况 在一个均匀地层中安装多台钻孔应变仪进行比对观测，计算同方向数据流的相关性可以给出观测数据是否真实的定量判据。这类比对观测对检验并改进仪器极其重要，却因耗资大很少被实施。目前，主要依靠对单台仪器的数据自检来检验观测数据的可靠性与真实性。 我国的四分量钻孔应变仪圆筒形探头中部，安装有互成 45 °交角，在水平面上呈米字形布置的 4 个径向测微传感器，测量圆筒形探头 4 个方向孔径的相对变化。其中， 1 路与 3 路、 2 路与 4 路分别相互垂直。（图 4 ） 图 4. YRY-4 型分量钻孔应变仪中 4 路测微传感器在水平面上的布置 根据推导圆钻孔 径向位移的弹性理论模型， 任何 两组互相垂直方向孔径相对变化测值之和都等于面积应变 ，于是有： S1+S3 = S2+S4 （1） 利用 4 个分量测值满足（ 1 ）式的自洽条件对数据进行自检，成为检查钻孔应变仪观测数据可靠性的重要手段。 自洽方程 S1+S3=S2+S4 牵涉到 4 个精密测微传感器的输出。要求 4 组数据满足自洽方程，要解决传感器格值的准确性和稳定性、探头与岩孔良好耦合等一系列问题。在 2000 年前，相关系数 k 少有超过 0.8 的，多年长期观测数据的 k 值更低。 经过 30 年试验、改进，十五期间建设的“数字地震观测网络工程” 四分量钻孔应变观测分项有 38 个观测台，已积累了 7 年多观测数据。其中已有一批台站表征观测数据自洽性的 k 值超过了 0.999 ，我国分量钻孔应变观测仪器已达到科学观测对仪器的基本要求。 （三）钻孔张量应变地震仪短期观测数据的自恰性 分量钻孔应变仪的观测频带很宽，可同时记录地方震、远震、地球自由振荡、应变固体潮、慢地震乃至更长周期的应变变化。 YRY-4 型分量钻孔应变仪的 0 ～ 20Hz 信号通道能记录应变地震波。记录的地震波信号应该满足（ S1+S3) 和（ S2+S4) 相关的自洽条件，否则，记录到的就不是应变地震波，而是因设计不合理的机械部分对地动加速度的响应。 图 5 和图 6 是甘肃高台台 YRY-4 型四分量钻孔应变仪用 1 Hz 采样记录的智利 8.1 级地震。两路面应变震波的相关系数达到 0.9993 ，说明记录到的确是应变地震波。 图 5. 高台台分量钻孔应变仪记录到的智利 8.1 级地震的秒采样数字地震记录图。 图 6. 智利 8.1 地震的（ 1+3 ）与（ 2+4 ）两组面应变数据相关系数达到 0.9993 。 图 7 是姑咱台 YRY-4 型四分量钻孔应变仪在 2008 年 3 月 17 日，外接 100Hz 数采记录到 60km 远处康定 3.5 级地方震的数字地震记录图。 图 8 是该地震的（ S1+S3) 和（ S2+S4) 两组面应变记录图。两组面应变数据高度相关，表明记录到的是应变地震波而非对地动加速度的虚假响应。 图 7. 姑咱台分量钻孔应变仪外接 100Hz 数采记录到的 3.5 级地方震的数字地震记录图。 图 8. 图 7 地震的（ 1+3 ）与（ 2+4 ）两组面应变记录图，相关系数达到 0.95 。 对于周期数万秒的应变固体潮数据， k 值也可达到 0.999 以上。 图 9 是吉林通化台 2014 年 2 月 1 日， YRY-4 型四分量钻孔应变仪的（ S1+S3) 和（ S2+S4) 面应变曲线数据，两组数据的相关系数 k ＝ 0.99982 。 图 9. 吉林通化台 2007 年 2 月 1 日，（ 1+3) 和（ 2+4) 面应变数据曲线图形，相关系数 k ＝ 0.99982 固体潮频段数据自洽性良好，为发现“应变固体潮响应各向异性”现象提供了观测基础。 根据地球模型，地球科学导出了地球表面应变固体潮理论公式。在伸缩仪投入观测的半个多世纪中发现，三个方向伸缩仪记录的应变固体潮潮汐因子（观测幅度与理论幅度之比）往往不等于 1 ，且三个方向潮汐因子有时相差很大。只有三个观测分量的硐室应变仪无自检功能，这种不符容易被研究人员归于仪器格值不准，观测与理论的不符成了一项悬案。 分量钻孔应变仪投入观测不久，也发现了多个台站不同测向应变固体潮潮汐因子相差很大。由于仪器观测数据具有良好自洽，研究者相信各个观测分量格值的相对大小是可靠的（不排除可能存在系统误差）。由 4 个观测分量值计算出地面 0-360 °方向固体潮及潮汐因子，发现方位响应玫瑰图具有十分规则的图形。 图 10 是南京高淳台实测应变固体潮潮汐因子方位响应玫瑰图，具明显各向异性特性，响应的长轴轴线为北 60 °东方位，与台站附近茅山断裂方向平行。图 11 是南京高淳台附近断裂分布图，用黑三角标出的高淳台位于北东向茅山断裂西北侧。茅山断裂隔断了应变传递通道使垂直于断层方向的应变固体潮强烈衰减。 图 12 是格尔木、麻城、攀枝花、湟源台的玫瑰图。各台玫瑰图大小、形状各异，但长轴均与台站附近断层方向平行。 现有固体潮理论是在分层连续、均匀、弹性地球模型上建立的。上地壳存在大量断层，更接近于若干块体的拼合体。质量是引潮力的作用对象。地幔是地球质量主要部分，薄的地壳就如贴在地幔上的应变片，地表测到的应变固体潮主要由上地幔传来。安装在各地块上的应变仪接受到的应变固体潮必然受到断层隔离影响。与断层垂直方向，由于断层隔离了从深部地层传递到安装在浅地表处应变仪接收固体潮的应变通道，使得与断层垂直方向的潮汐因子取最小值，使潮汐玫瑰图呈“ 8 ”字形，图形的长轴方向与台站附近主要断层平行。 根据此现象，由观测数据通过潮汐分析就能发现观测点附近是否存在断层及断层走向。 在空间大地测量（ GPS ）数据处理中，固体潮汐位移修正是重要的摄动因素，但此前的修正是按无断层均匀地球模型进行的。应变固体潮汐响应各向异性的发现，对位移修正算法改进提供了思路。 一项疑案终于被破解。 断层的形态多种多样，根据观测台站附近断层及地质构造形态计算理论方位玫瑰图将是未来计算地球动力学的内容。 图 10. 南京高淳台实测应变固体潮潮汐因子方位响应玫瑰图。 图 11. 南京高淳台附近断裂分布图，黑三角为高淳台位置 图 12 格尔木、麻城、攀枝花、湟源台的潮汐响应方向玫瑰图。 分量钻孔应变仪在我国主要被用于地震预报探索研究。强震孕育是个历时数十年以上的过程，在数年以上时段，分量钻孔应变仪数据的自洽性如何？这种仪器在何种程度上能反映构造应变的变化，也是地球科学关心的问题。 （四）钻孔张量应变地震仪长期观测数据的自恰性 图 3. 中两台相同分量伸缩仪短期记录相关、长期记录不一致表明，存在未被压制的长周期噪声源。这种被称为“漂移”的应变变化的量级往往达到 10 -6 ∕ a ，远大于构造应变约 10 -8 ∕ a 量级。应变仪要同时用于构造应变观测，必须压制长周期噪声源。 长周期噪声有以下来源： 1. 测长基准杆长度变化造成漂移，达到（ 10 -7 / 年）量级。 2. 地层温度变化漂移。 0.01 ℃温度变化将带来 10 -7 应变。钻孔是夏天还是冬天打的，都有影响。 3. 采用膨胀水泥安装探头。安装初期造成大幅度应变漂移（ 10 -5 / 年），一年稳定期后，漂移速率仍可达到（ 10 -6 ～ 10 -7 / 年）量级。 4. 地层打钻孔后，在地层自身重力作用下，钻孔将产生“孔缩”。“孔缩”大小与钻孔深度、岩性、探头安装应力等诸多因素有关。 5. 电子测量电路元件参数变化引起的漂移。 6. 仪器安装地点位于陡坡边等地层不稳定地段，地层移动引起的漂移。 第 1 、 2 项漂移难以消除。但分量应变仪测量数据可以分解为面应变和差应变。面应变来自两路互相垂直的径向位移之和；差应变则来自两路垂直径向位移之差。面应变数据无法摆脱 1 、 2 项因素影响，但对于采用同一批材料制造长度基准杆的分量钻孔应变仪，差应变数据可不受 1 、 2 项因素影响。 3-6 项因素则可通过其它技术措施尽量压低。 应变仪每个分量测得的应变值ε（ t ）可分解为地层“真实应变” G(t) （固体潮应变、构造应变、机井抽水产生附加应变、水泥膨胀或收缩应变、温度应变）和虚假应变 X(t) 之和（测长基准杆自身长度变化、电子线路漂移等）。 用算式表示为： ε 1 （ t ）＝ G1(t)+X1(t) （ 4-1 ） ε 2 （ t ）＝ G2(t)+X2(t) （ 4-2 ） ε 3 （ t ）＝ G3(t)+X3(t) （ 4-3 ） ε 4 （ t ）＝ G4(t)+X4(t) （ 4-4 ） 若仪器测量数据满足： ε 1 （ t ） + ε 3 （ t ）＝ε 2 （ t ） + ε 4 （ t ） （ 4-5 ） 的自检条件，可得关系： G1(t)+ G3(t) ＋ X1(t)+X3(t) ＝ G2(t)+ G4(t) ＋ X2(t) +X4(t) （ 4-6 ） 对于真实的地层应变，由弹性理论，有自检关系： G1(t)+ G3(t) ＝ G2(t)+ G4(t) （ 4-7 ） 由此，有关系： X1(t)+X3(t) ＝ X2(t) +X4(t) （ 4-8 ） 对不定方程（ 4-8 ） X1(t) ＝ X3(t) ＝ X2(t) ＝ X4(t) （ 4-9 ） 是一组合理解。即，对满足自检条件的测量数据，各分量的虚假应变相等。由此，导得： ε 1 （ t ）－ε 3 （ t ）＝ G1(t) － G3(t) （ 4-10 ） ε 2 （ t ）－ε 4 （ t ）＝ G2(t) － G4(t) （ 4-11 ） 当 4 路观测数据满足自检条件，两路差应变数据中的“虚假应变”成分自相抵消。 当台站的短期和长期观测值均很好地满足“ 1+3 ” = “ 2+4 ”自检条件时，台站的差应变数据反映所在地块真实的差应变变化。但面应变中的“虚假应变”成分我们尚无法消除。 台站记录的差应变变化能反映构造应变活动吗？ 2007 年中国地震局在全国布设 38 个 YRY-4 型分量钻孔应变观测台，至今已积累了 7 年多观测数据。从一些远离人为干扰台站记录的多年差应变记录中，我们似乎看到了构造应变活动的踪迹。图 13 是位于远离居住区的格尔木台环境照片，无人值守观测室建在小山包底部的山洞中，无人为干扰、降水少，是观测构造应变活动相对有利的条件。 13. 青海省格尔木地震台 YRY-4 型分量钻孔应变仪，安装在山洞门口 40 米深花岗岩地层钻孔底部。 图 14 是格尔木台 2006 年 10 月 1 日到 2013 年 12 月 31 日长达七年半整点值观测数据。两组面应变七年半数据的相关系数 k ＝ 0.99198 。 图 14. 格尔木台 2006 年 10 月 1 日到 2013 年 12 月 31 日整点值观测数据， k 值达到 0.992 。 从图 14 中可以看到，两路面应变经过约 1 年时间，漂移速率才稳定下来。从 2008 年到 2013 年底六年时间，面应变向受压方向的平均漂移速率为 7.9 （ 2.6 ）× 10 -7 /a ，明显大于构造应变通常约 10 -8 /a 的速率，说明面应变中仍然包含有量级超出构造面应变的成分。 两路差应变在四个月后就稳定下来，七年中，（ 1-3 ）与（ 2-4 ）差应变的平均漂移速率分别为 7.4 × 10 -8 /a 和 18.6 × 10 -8 /a 。 两路面应变相关系数达到 0.99 以上，说明格尔木台的差应变记录反映应变探头所在地层真实的差应变变化。 差应变变化主要出现在汶川 8.0 级地震发生前后的 1 年时间中，此时段年变速率达到 3.3 × 10 -6 / 年，主压应力方向为指向龙门山断裂带的北西－南东向。这一突然增大的应变变化与汶川大地震发生之间的关系很值得研究。 日本东海 9 级地震发生约半年后，两路差应变开始合拢，向北西－南东向的压力转变为张力，缓慢地向 2007 年时的应变状态回复。 而在 2009 年至日本东海 9 级地震之间的 2 年中，差应变的变化速率低到 2 × 10 -8 /a 。 2008 年汶川地震和 2011 年东海地震是东亚大陆的重大地质事件。格尔木台先是感受到了自身地块向南东方向地块挤压受到的抗力，东海地震后又感受到了东部地块向洋扩散抗力逐渐撤销。 图 15 是位于地震不活动区的上海佘山地震台 YRY-4 分量钻孔应变仪 2006 年 3 月 25 日到 2014 年 11 月 30 日长达八年半整点值观测数据。 图 15. 上海佘山台 2006 年 3 月 25 日到 2014 年 11 月 30 日整点值观测数据， k 值达到 0.998 。 该台两路面应变八年半整点值观测数据的相关系数 k ＝ 0.99863 。观测数据高度自洽，表明两路差应变能够反映测点地层差应变的真实变化。 图 15 中，（ 1-3 ）差应变幅度约 5 × 10 -7 /a 的年变化，系佘山侧面大片出露岩石的温度应变，传递到 40 米深安装应变探头处地层所致。 上海处于地震活动相对平静地区。扣除年变化后，两路差应变变化相当平稳，在汶川 8.0 级地震和日本东海 9 级大地震前后，佘山台的应变数据没有如同格尔木台那样的变化。 格尔木和佘山台的差应变数据是否能与大地测量数据比对，还需要作一系列严格的科学测试。但多年满足自洽性要求的分量钻孔应变差应变数据若能真实反映测点所在地层的构造差应变活动，定会引起地学家的兴趣。 面应变数据中仍包含量级超过构造应变的漂移成分，其长期数据的使用受到限制。利用热力学定律，测定地层的微温度变化，可以帮助作出面应变的长期变化究竟处于加压或减压状态的判断。这方面的试验研究可为面（体）应变数据的真实性提供比照依据。 参考文献： 潘立宙，测量地应力的钻孔变形法，地应力测量的原理和应用 ，北京：地质出版社， 1981 年， 1~47.
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“逮住死耗子的瞎猫”眼睛现在不瞎了！
热度 1 池顺良 2015-4-21 13:25
“逮住死耗子的瞎猫”眼睛现在不瞎了！ 海城地震成功预报与石硼峪地震台在临震前 4 天接收到 500 多次小震活动密切相关。当时，科学上无法判断这些小震群究竟是前震还是无大震发生的小震群活动，因而认为海城临震预报是“瞎猫 逮住 死耗子”、“好运气”的说法并非没有道理。 地震预报，按时间尺度划分为：长期预报，中期预报，短临预报。根据短期的、确定性的前兆信息发出的短临地震预报比长期和中期地震预报要困难得多，但是，在挽救人的生命方面却更为有效。 目前的水平， 短临地震预报 依旧只是一种概率预报。 概率预报不能满足地震预报对三要素精确性的要求。地震学家渴望探索、寻找到 “ 一种确定性的地震前兆－可以在所有大地震前必被无一例外地观测到，并且一旦出现这种异常现象，必无一例外地发生大地震。” （陈运泰等， 2001 ） 究竟有没有这样的 “ 确定性地震前兆 ” ？就看地震大破裂最终发生前有没有一个必须经历的过程。 根据现有认识， “ 地震成核 ” 过程是大地震孕育最后经历的阶段――除非这里的地层介质像玻璃板那样均质。如果有精密仪器能够监测到大地震成核过程发出的信号，在中期预报基础上的短临地震预报就能实现最大的减灾效能。 国际上已有多位学者利用前震来探测地震成核过程。 Ohnaka 利用前震活动揭示了 1978 年日本伊豆大岛 7.0 级地震的成核过程，发现成核区以 1 ～ 40cm ／ s 的速率扩展，直到直径为大约 10km 的临界尺度后，大震发生。 （ Ohnaka M. 1992. ） (Rastogi ， 1998) 海城地震临震前 4 天接收到 500 多次小震活动是不是“地震成核”过程最后阶段的产物呢？ 2001 年，陈学忠由海城地震前建立的 16 个测震台记录资料，确定小震群定位信息，指出该小震群是海城地震孕育进入“地震成核”最后阶段发出，具有“确定性前兆信息”特性。 （陈学忠等， 2001 ） 如果当时就有此认识，根据小震群活动的定位信息，迅速判断出该小震群系“地震成核”最终阶段的表现，临震预报就有了“确定性地震前兆”特征，发出的预报就有了充分科学依据，各项安排就会更有序。当然， 震前大量地下水、形变、动物异常也是这项临震预报的有力支撑。 但是，大部分强震发生前没有或只有少数前震，难以判定其性质，且 前震与主震之间的时间间隔短，得到的判断与准备时间有限。有没有时间提前量大的非前震成核信号能被我们检测到呢？ 分量钻孔应变仪既能监测小地震，也能记录慢地震，有能力较早发现大地震成核过程。 姑咱台分量应变仪在汶川地震前 15 个月即观测到叠加在固体潮上微弱但清晰的异常应变信号，之后又观测到异常应变数据从自洽向失洽持续 9 个月的转变过程，正是地震成核过程即将完成，大地震即将爆发的关键警报。 （池顺良等， 2014 ） 当我们在全国地震危险区建立起密度足够（如站间距小于 100km ～ 150km ）的应变观测网后，强震孕育中地震成核的异常应变信号，就能较早被监测到。立即加密站点，确定这些信号的位置分布和演变特性，就能相当准确地确定未来强震的地点、震级和时间三要素。 以上从观测实践中得得的认识，还要回到实践中接受检验及充实完善。地震科学是观测科学。在观测仪器性能达到科学性要求后，加速观测台网建设，布下“天罗地网”，不放过每一个强震震例并仔细解剖，总结出强震孕育的可相互验证、更为全面的认识和规律。世人关注的地震预报难题就有望破解，人的生命安全将得到保障。 （马钦忠， 2014 ） 参考文献 陈运泰、吴忠良、吕苑苑，地震学今昔谈 ，济南：山东教育出版社， 2001 年， 56~63. Ohnaka M.1992. Earthquakesource nucleation:a physical model for short-term precursors . Teconophysics,211:149 ～ 178. Rastogi B K ， Mandal P ． 1998 ． Foreshocks andnucleation of small to moderate-sized Koyna earthquakes （India） ． BullSeism Soc Amer, 88(5)1112 ～ 1126. 陈学忠、郭铁栓、朱令人，一次大陆强震前震成核的实例 ，地震学报， 2001 ， 23(2) ， 213~216. 池顺良、张　晶、池　毅，汶川、鲁甸、康定地震前应变数据由自洽到失洽的转变与地震成核 ，国际地震动态， 2014 （ 12 ）： 3~13. 马钦忠，中外几次重要地震预测与预报结果之启示 ，地震学报， 2014 ， 36(3) ， 500~513.
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鲁甸6.5级地震的应变前兆
热度 1 池顺良 2014-8-12 17:02
0. 前言 随着美国“板块边界观测项目”（ PBO ）大量采用分量钻孔应变仪观测地震仪和 GPS 不能接收到的地壳运动信息，在国际上分量钻孔应变仪已成为与地震仪和 GPS 相提并论的地壳运动观测仪器。 中国的钻孔应变观测从一开始，就以地震预报为目的。中国地震局“数字地震观测网络项目”钻孔应变前兆分项于 2004 年开始筹建， 38 个 YRY-4 型分量钻孔应变观测站于 2007 年底建成验收，至今积累了 7 年连续观测数据，期间经历了汶川 8.0 、玉树 7.1 、芦山 7.0 及最近的鲁甸 6.5 级地震。 这个观测网络中位于北西向鲜水河断裂带与北东向龙门山断裂带交汇处的姑咱地震台，观测到了汶川地震和芦山地震的前兆应变变化。 鲁甸 6.5 级地震是否观测到了前兆应变呢？本文将介绍：鲁甸周围的小庙、昭通、泸州三个台记录到了不同表现形式的前兆应变。结合这些台站与鲁甸地震震源位置及断裂带的分布特征，我们能够了解到不同位置的台站出现不同前兆响应的原因，进而进一步探索到强震发生的规律，指导今后台站位置的选点与布局，从而编织出能够不漏掉强震的密实而牢靠的观测网。 1. 鲁甸周围断裂带、 YRY-4 钻孔应变观测站分布及工作状况。 图 1 是鲁甸周围的断裂带及 YRY-4 型钻孔应变观测站分布图。 图 1. 鲁甸周围的断裂带及 YRY-4 型钻孔应变观测站分布图 鲁甸附近有小庙、金河、昭通、攀枝花、泸州五个分量钻孔应变观测站，它们与鲁甸的距离分别是： 146km 、 158km 、 34km 、 182km 、 278km 。泸州台因周围房地产开发，开发商紧临台站围墙放炮， 3 个分量被震坏，仅剩东西向分量继续工作。图 2 是从泸州台围墙内向外拍摄的场地平整放炮取土的场景。图 3 是台上的测震仪记录到大量放炮振动的记录实景，据台上工作人员介绍，记录笔多次被强烈振动振落。 尽管只有一个分量，泸州台仍坚持工作，记录下了这次鲁甸 6.5 级地震的前兆应变异常数据，虽说因数据不全而有诸多遗憾。 图 2. 从泸州台围墙内向外拍摄的房地产开发场地放炮取土的场景。 图 3. 泸州台上的测震仪记录到大量放炮振动，强烈振动多次将记录笔打掉。 其它 4 个台 4 分量齐全，数据自洽性良好。图 4 是小庙台 3 天连续应变记录。 图 4. 小庙台 3 天连续应变记录，两路面应变的相关系数在 0.99 以上。 图 4 中记录的固体潮汐图形清晰，噪声水平低，仪器的应变分辨率达到了 10 － 11 量级，观测精度高；两路面应变相关系数在 0.99 以上，表 明记录数据完美自 洽。 强震孕育需数十、数百年，长期数据是否自洽对强震孕育的识别极为重要。 小庙台钻孔应变探头于 2007 年 4 月 7 日下井水泥固化，图 5 是小庙台 2007 年 4 月 9 日到 2014 年 7 月 31 日，七年多整点值数据。 图 5. 小庙台 2007 年 4 月 9 日到 2014 年 7 月 31 日的整点值应变数据。 2012 年 9 月 ～ 12 月，面应变与差应变同步出现波动，这一变化可能与 2012 年 9 月 7 日 云南彝良 5.7 、 5.6 级双震有关（彝良位于这次发震的鲁甸－昭通断裂带向北东方向的延长线上，距小庙 180km ）。其它时段变化相对平稳。 地壳应力研究所的邱泽华认为 ：“ 对四分量钻孔应变观测而言，最重要的是数据的自洽性，即所谓“ 1+3=2+4 ”， 甚至比分辨率还重要 ，即使观测的固体潮变化不是很清晰，只要自洽性很好，我们就可以认为观测是正确的，数据是可靠的。反过来说，当四分量观测数据不满足自洽方程时，就会出现混乱，无法进行应变换算。这种观测数据即使分辨率很高，也不能用来解决科学问题，几乎可以说是毫无价值。”（ 引自： http://blog.sciencenet.cn/blog-39301-816963.html ） 金河、昭通、攀枝花台的短期或长期观测数据也满足自洽要求。简言之，这些台站的应变观测，满足了科学观测的要求，数据有足够的可信度。 2. 鲁甸 6.5 级地震前，小庙台的震前应变异常。 小庙地震台位于西昌市西北， 台址东500米有则木河主断裂通过，以北不远处为则木河与安宁河两断裂交汇处。 2014 年 7 月 25 日 后，小庙地震台观测人员和西昌中心站分析预报人员同时发现钻孔应变出现异常－规则、光滑的固体潮曲线上日变固体潮形态基本消失，日变幅度最大可达平时的 3 倍，并夹杂有周期为数分钟的“毛刺”。 图 6 是 2014 年 7 月 22 日至 28 日的应变数据曲线。1 图 6. 小庙台 2014 年 7 月 22 日至 28 日的钻孔应变数据曲线。 在七年观测中，第一次出现这样的应变异常形态，引起观测和分析预报人员高度重视。中心台立即组织专人调查落实异常：调查现场周边地形、地貌及其他重大工程施工、降雨等情况，搜集相关资料，以便进一步确认或排除异常。 调查人员检查仪器供电系统、数据采集传输等，结果表明仪器工作正常；检查数据处理环节，表明数据处理正常；环境地貌调查，测点周边无环境地貌变化，无大型施工作业、矿产开采、爆破等，没有发现影响形变观测重大干扰源；且 7 月 23 日以来并无大雨。 同时，在洞室应变仪记录上发现基本相同的异常应变。到 7 月 30 日，调查组综合分析认为，本次异常应变变化客观存在，未找到干扰因素。 不是干扰因素，是强震孕育或将要发生的应变前兆？但是，附近金河台（距小庙约 32Km ）的钻孔应变仪观测资料并未出现如小庙台那样的“毛刺”等潮汐畸变形态（图 7 ）。距小庙 164Km 的攀枝花台及邻省云南昭通台（距小庙约 122Km ）的钻孔应变记录曲线也无小庙台这样的变化。 图 7. 金河台 2014 年 7 月 22 日至 28 日的钻孔应变数据曲线。 相距仅 32km 的金河台竟然没有相似的应变异常！对小庙台的应变异常该如何解释，很难得出一致看法，甚至这些应变异常是否与强震有关也受怀疑。之后，唯有加强观测，对异常进行跟踪。 3. 鲁甸 6.5 级地震与小庙、昭通、泸州台的应变前兆 在跟踪观测中 , 鲁甸 6.5 级地震发生了 , 小 庙台记录下了 6.5 级地震发生前后的应变变化，如果能够确定记录到的应变异常确实与鲁甸 6.5 级地震有关，是强震的临震应变前兆，对这些应变数据的分析应该能够进一步提高对强震发生规律的认识，为之后提高强震预测能力提供支持。 判断观测到的震前应变异常是否强震的前兆，至少要满足以下三个判据： 1. 有正常背景， 2. 非干扰影响， 3. 与地震相关。下面，我们根据记录到的应变数据认证小庙应变异常满足三个判据，确是鲁甸 6.5 级地震的应变前兆，而且是对强震预报极为重要的“临震应变前兆”。 图 8. 是鲁甸地震前后，小庙台 2014 年 7 月 22 日至 8 月 10 日的应变数据曲线。 图 8. 鲁甸 6.5 级地震前后，小庙台 2014 年 7 月 22 日至 8 月 10 日的钻孔应变数据曲线。 前文图 5 所示的七年观测数据显示，小庙台钻孔应变观测是有正常背景的，鲁甸震前的应变异常形态是七年观测中第一次出现，即使强震和异常两者为不相关事件，其概率也很小；小庙和西昌中心台震前作了细致调查，排除了干扰影响可能， 6.5 级地震在异常发展到最大时发生，强震发生后，异常逐渐消失，正常固体潮逐渐恢复，表明应变异常确与此次强震相关。 由此，我们可以初步判断：小庙台的应变异常是鲁甸 6.5 级地震的应变前兆，由于从前兆出现到强震发生仅 8 天时间，可归于“临震应变前兆”，即一旦出现这样的前兆，强震在数天内就将发生。 满足以上三条判据，只是确定异常是否地震前兆的必要条件。要充分确定其是该次地震的前兆，还需更多旁证和深入的研究分析。 距鲁甸仅 34km 的昭通台，临震前并没有出现引人注目的“潮汐畸变”、“毛刺脉冲”等短临应变异常，但在强震发生前的 8 月 1 日 1 时起，开始出现快速受压。 2 天半后强震发生，又 2 天多后，压缩状态结束。（图 9 ） 图 9. 鲁甸 6.5 级地震前，昭通台 2014 年 7 月 22 日至 8 月 10 日的钻孔应变数据曲线。 距离震中很近的昭通台长期记录中，还包含着长期应变前兆信息。 图 10 是昭通台 2007 年 12 月 1 日到 2014 年 7 月 31 日的整点值应变数据。 2012 年 9 月 7 日彝良 5.7 、 5.6 级双震发生前，原本重合和相关的两路面应变，双震发生后开始分离。之后两路面应变固体潮图形虽然仍相似，但长周期变化曲线已不相关。我们至今不清楚出现这种现象的机制，但若鲁甸地震后，两路面应变又开始重合和相关，那么，此种现象就可能是一种值得注意的长期前兆现象。 图 10. 昭通台 2007 年 12 月 1 日到 2014 年 7 月 31 日的整点值应变数据。 离鲁甸地震 278km 的泸州台，在 8 月 1 日 16 时也开始突然受压， 48 小时后强震发生， 30 小时后快速压缩状态结束，向原位回复（图 11 ）。与昭通台强震前出现快速压缩完全相似，只是时间上晚了 15 个小时。 远离鲁甸 278km 的泸州台位于鲁甸－昭通断裂向北东向延长的隐伏断裂位置，在 6.5 级地震发生前 48 小时，也出现同昭通台相似的快速压缩临震前兆应变，应该是这两个台在同一断裂带上，受同一个强震力源作用之故。 图 11. 鲁甸 6.5 级地震前后，泸州台 2014 年 7 月 22 日至 8 月 8 日的钻孔应变数据曲线。 与小庙台相距仅 34km 的金河没有接收到前兆应变信号，是因为金河台离小庙台虽然很近，但有两条断裂带隔开。 李四光说过，在同一断裂构造带上，远的也是近的；隔着断裂构造带，近的也是远的。所以金河台接收不到与小庙台同样的应变信号。 4. 如何根据前兆应变预测强震的时、空、强三要素 中国地震局“数字地震观测网络项目”钻孔应变前兆分项在 7 年观测中能够接收到汶川 8.0 、芦山 7.0 及鲁甸 6.5 级地震的应变前兆，说明项目决策是正确的，台站的选点和分布也是科学的。但是，这是个网眼特别大的“渔网”，几条大鱼都从“网眼”里逃脱了。 2013 年 4 月 20 日 芦山地震前的 4 月 16 日 8 ︰ 37 开始，在芦山西南方向 72km 的姑咱台，钻孔应变仪四个分量同步记录到超过 10 倍潮幅的张性应变脉冲，计算指出张应力来自北东－西南方向。（图 12 ） 这是姑咱台 YRY-4 型钻孔应变仪工作 7 年来第一次记录到的大幅度应变异常。最后，在调查落实异常过程中芦山 7.0 级地震就发生了。芦山地震后，中国地震局派出专家调查，一个多月后得出结论：非施工干扰，是强震应变前兆。 参见： http://blog.sciencenet.cn/blog-39301-700591.html 图 12. 芦山 7.0 级地震前后，姑咱台 2013 年 4 月 14 日至 4 月 20 日的钻孔应变数据曲线。 强地震是人命关天、影响社会系统正常运行的大事，调查落实异常是不可或缺的。那么有没有可以快速确定异常的方法？ 就算能确定是应变异常，只有单台仪器记录到异常，只能判断一个大致的应变异常走向，无 法确定源区方位和位置。三要素不能确定，就无法进一步实施防灾工作。这都是“渔网”网眼太大的后果。 当网络观测站密度足够大，网眼足够小时，一次强震会有多个台站记录到异常应变，从对记录数据的分析很快就可以判断异常性质，同时圈出异常区范围，对空、强二要素给出初步判断。剩下的是确定时间要素。 这个稀疏的钻孔应变观测网从 2007 年开始运行以来，经历了汶川 8.0 、玉树 7.1 、芦山 7.0 及最近的鲁甸 6.5 级地震，经过缜密的分析，可以判定四个地震都接收到了明显的长期前兆应变信息，芦山、鲁甸地震还接收到了对强震预报极其宝贵的临震前兆应变信息。汶川、玉树地震未接收到临震前兆应变信息的原因是网站密度太低，观测点未处于合适的位置。 芦山和鲁甸震前的应变前兆，应该是断层即将破裂前预滑移或地震成核过程中发出的，预示强震即将发生。这两个震例中，从异常出现到强震发生的时间分别为 4 天和 8 天。大自然能够在强震前给我们几天时间准备应对，有这样的机会我们决不能放弃呀！ 5. 结语 半个世纪来我国在钻孔应力、应变仪器研制和观测方面投入了大力，研制成功多种型号钻孔应变仪，在观测资料的分析研究方面也取得了很大进展。在钻孔应变观测这个地学观测新领域，国产仪器的性能比美国 PBO 项目所用的 Gladwin 分量应变仪更好 ，我们已无需依靠昂贵的进口仪器。本人作为其中一型仪器的研制、观测和运行维护者，只了解部分有关应变观测的资料，其它如电、磁、地温等等资料并不了解。因掌握资料不全面，本文所述和分析中的片面性难免，望不吝批评指正。 已有学者对中、美两国数十个钻孔应变观测台多年连续观测数据作数据自洽的精度分析，结论是我国仪器的内精度要高一个量级，文章待发表。 参考文献： 池顺良、池毅、邓涛、廖成旺、唐小林、池亮，从 5.12 汶川地震前后分量应变仪观测到的应变异常看建设密集应变观测网络的必要 ，国际地震动态， 2009 ， 1 期： 1-8 邱泽华等，用超限率分析法研究汶川地震的前兆应变变化 ，大地测量与地球动力学， 2009 ， 29,(4): 1-9 邱泽华等，汶川地震前姑咱台观测的异常应变变化 ，中国科学 : 地球科学 2010 年第 40 卷第 8 期 : 1031~ 1039. 阳　光、刘仕锦、李学川（四川省地震局康定地震中心站姑咱地震台），姑咱台 2008 年汶川 8.0 级地震钻孔应变观测报告，地壳构造与地壳应力文集 (22) ， 2010 年 00 期。 刘琦、张晶， S 变换在汶川地震前后应变变化分析中的应用 ，大地测量与地球动力学， 2011 ， 31(4): 6-9 池顺良，分量钻孔应变仪记录的汶川、芦山强震前兆应变异常 ，科技导报， 2013 ， 31(12) ， 27-30. 池顺良、刘琦、池毅、邓涛、廖成旺、阳光、张贵萍、陈洁， 2013 年芦山 Ms7.0 地震的震前及临震应变异常 ，地震学报， 2013 ， 35(3) ， 296-303. 童汪练，钻孔应变观测数据时谱分析及其应用震例， 2013 年中国地震学会地震观测技术委员会年会上的报告。
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张掖5.1级地震前，门源台的强烈受压应变记录
热度 2 池顺良 2013-9-20 21:27
2013 年 9 月 20 日 05:37 ，甘肃省张掖市肃南裕固族自治县、青海省海北藏族自治州门源回族自治县交界（东经101.5°，北纬37.7°）发生5.1级地震，震源深度7km。震中距青海省地震局门源地震台约40km。 关心地震预测的读者一定关心这次5.1级地震，距震中仅40km的门源台的钻孔应变仪有何反映？ 门源台位于中国地震局《2006～2020年全国地震重点监视防御区》确定的“甘青交界至甘东南地区”，有发生7级左右强震背景。 图1标出了门源地震台与这次5.1级地震的位置及附近活动断裂的分布。 图1.黑色五星为应变观测地震台，兰色圆圈为张掖5.1级地震震中。 门源台 台址基岩为中厚层砂岩 ，钻孔深 40 米，岩芯完整。仪器于 2006 年 8 月 12 日安装。仪器安装后第 8 天就显示了清晰的应变固体潮（图 2 ）。图 3 是 2007 年 3 月 1 日到 5 月 21 日五十天连续记录数据。（ 1+3 ）＝（ 2+4 ）的数据自检条件很好地满足，说明记录数据能反映地层真实的应变变化。 图2 门源台仪器安装第8、9天的应变固体潮曲线 图3.门源台2007年3月1日到2007年5月21日的体应变和剪应变数据 图4.门源台2012年1月1日至2013年9月20日8时的应变记录 很可惜的是，2007年11月11日该台仪器因雷击将第2应变分量击坏。剩下3路应变不再能作数据自检，但剩下的3路应变仍构成完整的应变数据集。已有的一年多满足自检的数据，则证明了该台 记录数据能反映地层真实的应变变化。 2012 年 7 月 10 日 ， 3 路应变同步发生大幅受压，到 2012 年 12 月后速率减缓，各应变分量累积降幅约 1.2 × 10 -4 （图 4 ）。但减缓的压缩并未结束，又持续了 9 个月，终于在今日早晨 05:37 在距门源台约40km处发生5.1级地震。这一事件应该让我们对应变观测中出现的强烈受压现象引起重视。 张掖5.1级地震后，回弹释放的压缩应变仅7.8×10 -8 ，不到总压缩量的千分之一，大量弹性应变能尚未释放！ 图5是9月15日至20日12时，门源台1路和4路应变记录图。 图 5. 由 张掖5.1级地震震时应变阶知，回弹释放的压缩应变仅7.8×10 -8 ，大量弹性应变能尚未释放，周边地区需提高防震意识。 根据中国地震局《2006～2020年全国地震重点监视防御区》确定的“甘青交界至甘东南地区”有发生7级左右强震的预测意见，周边地区有必要进一步提高防震意识。
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4月16-19日芦山地震应变异常是临震前兆而非施工干扰
热度 6 池顺良 2013-7-15 22:31
芦山地震前，从4月16日到19日，离芦山最近的姑咱地震台的YRY－4型四分量钻孔应变仪，记录到 多 次幅度达到十倍固体潮幅的张性应变阶跃 异常变化。这是该台观测到汶川地震相关异常变化 以来，记录到的最大异常变化。异常结束15小时后，芦山地震爆发 。（图1） 姑咱台有正常应变变化背景，仪器工作正常，记录资料可靠。这可以在汶川地震发生前十五个月时，仪器记录的固体潮曲线极其规则，犹如用曲线板绘制的那样光滑中看出。（图2） 汶川Ms8.0地震4年多后，姑咱台四分量钻孔应变曲线又变得比较规则和光滑。图3是芦山地震前二十多天时（2013年3月27-29日）的应变观测曲线（关于汶川地震前后的曲线变化，请参看我以前的博文）。 图1.芦山地震前后（4月15日-25日）的姑咱台四分量钻孔应变曲线 图2.汶川地震前15个月时（2007年2月1-3日），姑咱台四分量钻孔应变曲线上应变固体潮极其规则。表明在离开强震发生较远时，有正常的应变变化背景。 图3.汶川地震4年多后、芦山地震前二十多天（2013年3月27-29日），姑咱台四分量钻孔的应变曲线。 图 4. 4 月 19 日的应变记录， 剧烈的应变波动趋于平静后15小时，芦山Ms7.0级地震爆发。 芦山地震发生前19小时出现应变阶跃后，接着出现一连串剧烈应变波动后趋于平静，平静15小时后，芦山Ms7.0级地震爆发。令人注意的是，应变阶跃的起始和千岛群岛7.0级地震震波到时重合。（图4） 4 月16日 到19日的异常应变经 中国地震局派专家赴姑咱调查，确认 姑咱台应变异常不是人为干扰，是芦山地震的应变前兆。 调查组邱泽华研究员 这样评价这一应变前兆的发现：“ 2013 年芦山地震前数天，姑咱台观测到显著的异常变化。经过我们的全面调查和深入分析，现在可以肯定：没有已知的干扰可以造成这种异常变化。也就是说，这种异常应该是地震前兆变化。这种应变异常的特征与震源机制的一致性，其与固体潮的对应关系，都相当确定和可信。这个地震前兆异常，又为我们的地震前兆研究提供了一个宝贵的震例。 姑咱台钻孔应变仪观测到芦山地震前兆异常，进一步说明了一个极其重要的事实：地震是有前兆的。中国开展地震预报研究几十年，投入了大量资源。这个前兆异常的确定，可以大大增强我们绝不前功尽弃，继续努力攻克地震预报这个“世界难题”的决心 。” 4 月 16 日 到19日 观测到的应变异常离芦山地震的发生只有4天时间，属于临震异常。那么，这种异常出现之后，是否必定会发生强震呢？或者说，这种异常是否正是我们努力寻找的 “ 确定性的强震临震前兆 ”呢？ 构造地震的突然发生表明地震是一种力学失稳现象。无论是完整岩石破裂或已有断层的粘滑产生的地震，临震前都出现介质强度或摩擦强度降低而进入失稳状态。这种状态下，外场极小的位移扰动就可引起有限的滑动 ，强震接着就发生。 4 月 16 － 19 日，全球大于 6.5 级的地震有 3 次。有 3 次阶跃的起始与 3 次 远震震波到时重合。说明震波到达对震源区的扰动引起有限的滑动，造成应力状态变化而被探测到。 震波到达触发了阶跃事件，说明震源区已到达“失稳状态”，强震即将发生！ 在芦山地震这个震例中，这种极不稳定的状态竟可以维持 3 ～ 4 天，然后再也无法支撑而发生地震。这 3 ～ 4 天时间对于人们避免强震的袭击无疑是极其宝贵的。 姑咱台记录到芦山地震的临震应变前兆虽然为地震前兆研究提供了一个宝贵的震例，但芦山周围只有姑咱一个钻孔应变观测站，我们并没有取得面上丰富的数据。这只是一个孤证，科学还需要更多的可相互比较的震例，以找到某种规律。 芦山地震后，我国多位科学家在《中国科学：地球科学》上撰文，指出龙门山断裂的西南段在不久的未来有发生强震的危险 。 图5是文献 中给出的芦山地震后，两个可能发生7级强震危险区的位置。 ​ 图 5. 汶川地震、芦山地震的震源机制及龙门山西南段断层未破裂段的位置， 图中的兰色三角是目前该地区仅有的姑咱台钻孔应变观测站。 图中的椭圆C是芦山地震的震中位置；椭圆N是北段存在发生Mw6.8地震的位置；圆S是南段存在发生Mw7.2地震的位置。 参考文献： 邱泽华、周龙寿、池顺良，用超限率分析法研究汶川地震的前兆应变变化 ，大地测量与地球动力学，2009年，4期，1-9页. 邱泽华、张宝红、池顺良、唐磊、宋茉，汶川地震前姑咱台观测的异常应变变化 ，中国科学: 地球科学，2010年，第40卷，8期: 1031－1039. 刘琦、张晶，S变换在汶川地震前后应变变化分析中的应用 ，大地测量与地球动力学，2011年，31 (4): 6-9页. 池顺良、刘琦、池毅、邓涛、廖成旺、阳光、张贵萍、陈洁， 2013 年芦山 Ms7.0 地震的震前及临震应变异常 ，地震学报， 35 （ 3 ）， 296-303. 引自 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=39301do=blogid=700591 张国民、傅征祥、桂燮泰，地震预报引论 ，北京：科学出版社，2001，366-378. 陈运泰、杨智娴、张勇、刘超，从汶川地震到芦山地震 ，中国科学：地球科学，43(6)：1064-1072. 刘成利、郑勇、葛粲、熊熊、许厚泽，2013年芦山7.0级地震的动态破裂过程 ，中国科学：地球科学，43(6)：1020-1026.
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芦山强震的孕震及临震应变异常（下）
热度 2 池顺良 2013-5-9 01:04
――芦山地震应变异常的特点 3 对姑咱台芦山地震应变异常性质的认识 3.1 姑咱台应变异常与芦山地震在空间与时间上相关 姑咱台距芦山地震震中约 70 千米。对位于同一断裂带上发生的汶川强震，姑咱台记录下了汶川强震孕育过程中的异常应变变化，能记录到更近的芦山强震的异常应变是符合常理的。 4.20 地震前夕记录到幅度达到 3 × 10 -7 张性应变异常，地震后异常消失，说明这种异常与芦山地震的发生有时间上的相关性。 姑咱台的应变记录有正常背景，台站位置与芦山地震震中在空间上接近，时间上大幅度异常应变发生在强震前夕，这些均令人思考这些应变异常可能是芦山地震的前兆。强震前夕的异常紧临强震的发生，可视为临震异常。 3.2 4.16-4.19 临震异常应变与中期异常应变的应力场背景相同 图 5 和图 4 分别根据临震异常应变与震前 5 个月时中期异常应变数据，将球量与偏量分离绘制的曲线图。两图的（ 1+3 ）应变与（ 2+4 ）应变高度相关，表明记录到的异常应变是地层应变的真实变化，两者的应变突跳都是张应变。两图的 （ 1 － 3 ）应变与（ 2 － 4 ）应变 也具有相同的性质。若记（ 1 － 3 ）异常应变幅度为 Ua ，（ 2 － 4 ）异常应变幅度为 Ub ， 1 路应变的方位为 ф 。引起异常应变的主压应力方位 Ψ 可由下式中解出。 Ｕ a/ Ｕ b = -tg2( ψ - φ ) （ 1 ） 计算结果是：这些应变突变都是在 主压应力方向为 － 41 ° ( NW-SE 向 ) 的区域应力场作用下发生的。 临震异常应变与中期异常应变的应力场背景相同。 表明在强震发生前的半年中应力场的主方向是稳定的。 与 宝兴钻孔水压致裂地应力测量主压应力为 NW － SE 向的结果相近。（见丰成君科学网的博文“宝兴钻孔地应力绝对测量与相对监测结果与芦山 7.0 级地震” ( http://blog.sciencenet.cn/blog-921682-687097.html ) 。也与 芦山地震震源机制解的 P 轴方位相近。 3.3 8 次应变突变异常中有 3 次突变的起点与远震面波到时重合。 4 月 16 日到 19 日出现了 8 次应变突变，其中有 3 次突变的起始与 远震面波到时重合。图 6 是 4 月 16 日 18:55 开始出现的应变突变，其起始时间同 2013-04-16 18:44:13 伊朗、巴基斯坦交界地区发生的 7.7 级地震的震波到达的时间一致。这次突变的幅度不大。 图 6 姑咱台第 1 路应变的突变异常（ 2013 年 4 月 16 日全天） Fig 6. Guzan station component 1 strain anomaly(April 16, 2013) 图 7 是 4 月 17 日 7:20 开始出现的应变突变，其起始时间同 2013-04-17 06:55:25 巴布亚新几内亚发生的 6.7 级地震震波到达时间一致。 图 7 姑咱台第 1 路应变的突变异常（ 2013 年 4 月 17 日全天） Fig 7. Guzan station component 1 strain anomaly(April17,2013) 2013-04-19 11:05:53 ，千岛群岛 7.0 级强震的震波于 11:20 到达芦山。图 8 上标出的应变突跳的起始位置与震波的到达时间一致。 图 8 姑咱台第 3 路应变的突变异常（ 2013 年 4 月 19 日全天） Fig 8. Guzan station component 3 strainanomaly(April 19,2013) 临震前夕，造成芦山强震的断裂已处于极不稳定的临界状态，很小的应力扰动和起伏都能起到触发作用。这 3 次应变突跳一次比一次大。是否受到远震震波的触发而在区域应力场驱动下的活动？。如果只有一次这样的事件可能出于时间上的巧合，三次巧合事件就值得研究了。并且，在 4 月 16 日到 19 日期间，全球发生大于 6.5 级的地震只有这 3 次。 这三次应变突变事件，从突变开始上升至极值的时间大约需时 10-20 分钟，应是地层缓慢的蠕滑调整而非破裂或断层快速滑动过程。 4 月 16 日之前的 2013-04-06 12:42:37 印度尼西亚 7.0 级地震、 2013-04-14 09:32:26 巴布亚新几内亚 6.6 级地震，就没有触发出应变阶跃。 构造地震的突然发生表明地震是一种力学失稳现象。无论是完整岩石破裂或已有断层的粘滑产生的地震，临震前都出现介质强度或摩擦强度降低而进入失稳状态。这种状态下，外场极小的位移扰动就可引起有限的滑动（张国民， 2001 ）。在芦山地震这个震例中，这种极不稳定的状态维持了 3 ～ 4 天，然后再也无法支撑而发生地震。 3.4 震后应变曲线的变化 图 9 是芦山 7.0 级地震后，姑咱台 4 月 20 日至 5 月 7 日的应变观测曲线。 图 9 芦山 4.20 地震后，姑咱台的应变观测曲线（ 2013 年 4 月 20 日－ 5 月 7 日） 图 9 中显示芦山地震后，（ 1+3 ）和（ 2+4 ）体应变上仍有张性应变阶跃出现，但（ 1 - 3 ）和（ 2 - 4 ）差应变上却没有相应的反映。这应该是断裂错动后，剪切应力已得到释放，地块的剪切活动已衰减之故。位于震源外围的姑咱台除了能记录到正常的固体潮剪应变外，自然就记录不到地层的剪切应变活动了。 （中篇）图 2 中芦山地震前 16 ～ 19 日（ 1+3 ）、（ 2+4 ）体应变的每一次张性阶跃，（ 1 - 3 ）差应变上都有相应的活动。两者比较，地震前后的应变活动性质有明显的不同。由此也可判断， 16 ～ 19 日的异常应变不应来自本地的人为施工等干扰。 震后半个月中，附近公路的施工已经恢复，但并未出现 16 ～ 19 日那样的应变变化，说明施工干扰说不能成立。 4 结束语 地震前兆的确定需要 排除所有可能干扰的影响。有人认为该应变异常是附近公路工程施工引起。根据以往的经验，工程施工大量土方搬运产生的应变变化与 4.16-4.19 异常的形态大不相同（ 王梅等， 2013 ）。地震后公路施工恢复，但像 4.16-4.19 此类大幅度突变异常却不再出现。 我们 期待之后的调查能搞清这些异常应变是否施工干扰。这种调查往往需要不短的时间，对于迫在眉睫需要尽快确定异常性质的临震异常判断，更好的解决方案是在仪器的布置上考虑拉开数百至数千米距离双份比对测量，因为 能引起相距千米的两台仪器产生同步记录的只有大自然的力量。 美国 PBO 项目中采用的是三份比对，慢地震现象就是由三份同步变化的资料确认的。否则，即使能记录到强震前极其重要的临震异常信息，也会因判断延误时间而失去预报的机会。 参考文献： 上田诚也 . 2011. 日本的地震预报将何去何从！ . 国际地震动态，（ 11 ）， 7 ～ 15. 池顺良、池毅、邓涛、廖成旺、唐小林、池亮 . 2009. 从 5.12 汶川地震前后分量应变仪观测到的应变异常看建设密集应变观测网的必要性 . 国际地震动态，（ 1 ）， 1 ～ 12. 邱泽华、周龙寿 . 2009. 用超限率分析法研究汶川地震的前兆应变变化 . 大地测量与地球动力学， (29),1 ～ 9. 邱泽华、张宝红、池顺良、唐磊、宋茉 . 2010. 汶川地震前姑咱台观测的异常应变变化 . 中国科学：地球科学， (40),1031 ～ 1039. 刘琦 , 张晶 . 2011. S 变换在汶川地震前后应变变化分析中的应用 . 大地测量与地球动力学， (31),6 ～ 9. 邱泽华、石耀霖. 2003. 地震造成远距离应力阶变的观测实例 . 中国科学（D辑） ，(33)（增刊）：60-64 张国民、傅征祥、桂燮泰，地震预报引论 ，北京：科学出版社，2001，366-378. 王梅、季爱东、徐长鹏、王鹏 . 2013. 环境干扰事件引起的“形变异常变化” . 国际地震动态，（ 1 ）， 15 ～ 19.
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芦山强震的孕震及临震应变异常（中）
池顺良 2013-5-9 00:51
芦山地震比汶川地震距姑咱台更近，既记录到了地震发生 5 个月前， 3 个月的“潮汐畸变”异常，也记录到了震前 4 天中发生的幅度很大的临震应变异常。 汶川地震 4 年后的 2012 年，姑咱台的固体潮记录已逐渐恢复到光滑、规则的形态，但从 9 月开始，又不时出现 “ 脉冲异常 ” 和 “ 潮汐畸变 ” 。 “潮汐畸变”现象从 9 月到 12 月持续了 3 个多月。数据自检表明这种异常应变仍属地下应变变化的真实反映，说明汶川地震之后逐渐稳定下来的龙门山断裂又开始有所活动。图 1 是 2012 年 11 月 14 日到 17 日 4 天的应变观测数据，将球量与偏量分离绘制的曲线。与汶川地震不同的是：这次以“张性脉冲”为主。 图 1 芦山 7 级地震前 5 个多月，姑咱台 2012 年 11 月 14 日到 17 日四天的应变记录。 2012 年 12 月之后，固体潮又逐渐恢复光滑、规则的形态，断裂的微动似乎又趋停止。如何认识和解释这三个月的应变异常，成为分析者的疑难课题。 2013 年 4 月 15 日 18 时 20 分，姑咱台四路应变忽然同时出现突跳，幅度达 1.2 × 10 － 7 应变； 16 日到 19 日，四路应变又同时出现大幅度变化，幅度超过了 3 × 10 － 7 应变。当时，台站附近公路上正在施工，难以确定这些应变异常究竟是施工人为干扰还是前兆应变异常。 加之，每天的大幅扰动都在 07 时到 18 时左右，更使台站认为这些异常源自施工人为干扰。 20 日 8 时 02 分芦山 7 级强震发生。 图 2 是 2013 年 4 月 14 日到 4 月 24 日 20 时的应变观测曲线。 4 月 20 日的芦山 7 级地震的震波标出在图上。震前激烈的应变变化十分令人注目。台站从来没有见过这样激烈的应变变化，怀疑是施工人为干扰。但强震过后，尽管施工已经恢复，这类干扰却消失了。因而我们有理由认为这些应变异常可能是强震即将发生的临震应变信号。 图 2 还记录了芦山 7 级地震的震时应变阶，由此可以计算这次地震导致台站所在地层水平应变变化的幅度和方向（ 邱泽华等、 2003. ）。有密集的监测网就可获得强震后区域应力调整图，有助于确定应力增强与减弱区域 。 图 2 姑咱台固体潮曲线（ 2013 年 4 月 14 日－ 24 日 20 时） 姑咱台距芦山地震震中约 70 千米。对位于同一断裂带上发生的汶川强震，姑咱台记录下了汶川强震孕育过程中的异常应变变化，也应能记录到更近的芦山强震的异常应变。 4.20 地震前夕记录到幅度达到 3 × 10 -7 张性应变异常，地震后这种异常即消失，与芦山地震的发生有时间上的相关性。 姑咱台分量应变仪工作的 6 年半中，这是记录到的唯一一次大幅度张性异常。图 3 给出 2011 年 1 月 1 日至 2013 年 5 月 2 日全部分钟值数据，图中芦山地震前夕的应变突变是 2 年 4 个月中最突出的应变异常。 9 到 12 月中出现的应变畸变的幅度虽然不大，但在图 1 的记录中可以看得很清楚。延续了 3 个月的应变异常可看成芦山强震孕育过程中的应变异常。 图 3 姑咱台固体潮曲线（ 2011 年 1 月 1 日－ 2013 年 5 月 2 日） Fig 6. Guzan station tidal recording (2011/ Jan/01 –2013/May/0 2) 由时间上的紧邻和空间上的相关性看， 4.16-4.19 的张性突变异常可能是芦山地震的前兆。由于该异常紧临强震的发生，可视为临震异常。下一篇将从几方面论证，这些异常应变确是芦山强震的 孕震及临震应变异常。 参考文献： 邱泽华、石耀霖. 2003. 地震造成远距离应力阶变的观测实例 . 中国科学（D辑） ，(33)（增刊）：60-64
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芦山强震的孕震及临震应变异常（上）
热度 3 池顺良 2013-5-9 00:34
姑咱台的钻孔应变观测资料回顾 钻孔应变（应力）观测技术是近十年才逐渐发展完善起来的地学观测技术。 2004 年，中国地震局确定在 “ 十五数字地震观测网络 ” 工程中列入分量钻孔应变仪前兆分项。 2007 年，全国布设的 40 套高分辨率 YRY 四分量钻孔应变仪投入地震监测工作。至今已积累了六年多实测数据。图 1 是我国分量钻孔应变网观测台的分布图。 图 1 我国分量钻孔应变仪的分布图 这六年中，我国发生了汶川、玉树、 芦山 三次强震。汶川地震和 芦山地震分别距姑咱台约 140 千米和 70 千米， 离震中 5 ～ 7 倍震源深度距离的边缘，位于姑咱台的监测范围。 姑咱台记录到了汶川和芦山这两次强震孕育中的应变异常变化。为地震预测、预报的探索积累了宝贵的资料。 1 姑咱台及 YRY 型 四分量钻孔应变仪运行 概况 姑咱地震台位于四川省甘孜藏族自治州康定县姑咱镇，地理座标：东经102.18°，北纬30.12°，海拔高程1450米，国家级台站，隶属于四川省地震局康定地震中心站。 姑咱台处于北西向的鲜水河断裂带、北东向的龙门山断裂带和北南向的安宁河断裂带复合部位靠北的地段，座落于姑咱镇西面鸡心梁子山背斜的核部。 姑咱台位于南北走向的大渡河西岸， 在大渡河边古河床冲积堆层上，出露岩性为花岗闪长岩。图2是姑咱台附近的活动断裂， 汶川、芦山地震位置图。在汶川、芦山附近 300 千米范围内只有姑咱一个应变观测站。 图 2 姑咱台附近活动断裂及汶川、芦山地震位置图 姑咱台YRY四分量钻孔应变仪于 2006 年 10 月 28 日安装。 钻孔深40米，花岗岩地层，岩芯完整，应变探头用水泥砂浆耦合于钻孔底部。1路应变方位51°（近北东向），2～4路方位依次顺时针加45°。 钻孔应变仪安装后 记录了 5 个月正常潮汐背景。 图 3 是仪器安装稳定后， 2007 年 2 月 1 日至 2 月 3 日清晰而光滑的固体潮曲线，表明应变记录有正常背景。 图 3 汶川地震前 15 个月时，姑咱台 2007 年 2 月 1 日到 3 日 3 天的连续记录。 图 4 ～ 6 是由三百三十多万组分钟值数据绘出的 2007 年 1 月 1 日至 2013 年 5 月 2 日六年多的观测成果。姑咱台周围没有抽水机井等干扰，记录的应变固体潮十分光滑和规则。但台站面临南北向大渡河水位的变化，地层受到变化水位侧压力的影响，每到降雨时，记录就出现与河水位高程相关的变化。图 4 ～ 6 中，每到雨季就出现十分明显的河水位变化干扰。这种干扰的周期约半个月，并不影响短周期频段的信号。在 汶川、芦山地震中出现的应变异常大都位于数分钟到数十分钟频段。 河水位变化的干扰没有影响 汶川、芦山地震应变异常信号的接收。 图 4 姑咱台 2007 年 1 月 1 日至 2008 年 12 月 31 日的钻孔应变观测数据 图 5 姑咱台 2009 年 1 月 1 日至 2010 年 12 月 31 日的钻孔应变观测数据 图 6 姑咱台 2011 年 1 月 1 日至 2013 年 5 月 2 日的钻孔应变观测数据 2007 年 4 月后，记录上开始出现 “压性脉冲”和“潮汐畸变”应变异常。随着汶川 5.12 地震的临近，异常越来越显著。图 7 是离 5.12 三个月时， 2008 年 2 月 14 日到 18 日 5 天的记录。地层中大量的“压性脉冲”和“潮汐畸变”应变异常将正常的应变潮汐几乎完全掩盖。 图 7 临近汶川地震前，姑咱台 2008 年 2 月 14 日到 18 日 5 天的连续记录。 5.12 大震之后， “压性脉冲”和“潮汐畸变”应变异常逐渐消失。 3 年后固体潮记录逐渐恢复到如图 3 光滑、规则的形态。表明这些应变异常确与汶川地震密切相关。 认为姑咱台记录到了汶川强震孕育中的应变前兆，根据是这些异常应变 满足地震前兆的三条必要判据： 有正常背景；非干扰影响；与地震密切相关 。 下一节介绍芦山强震的应变异常。 参考文献： 池顺良、池毅、邓涛、廖成旺、唐小林、池亮 . 2009. 从 5.12 汶川地震前后分量应变仪观测到的应变异常看建设密集应变观测网的必要性 . 国际地震动态，（ 1 ）， 1 ～ 12. 邱泽华、周龙寿 . 2009. 用超限率分析法研究汶川地震的前兆应变变化 . 大地测量与地球动力学， (29),1 ～ 9. 邱泽华、张宝红、池顺良、唐磊、宋茉 . 2010. 汶川地震前姑咱台观测的异常应变变化 . 中国科学：地球科学， (40),1031 ～ 1039. 刘琦 , 张晶 . 2011. S 变换在汶川地震前后应变变化分析中的应用 . 大地测量与地球动力学， (31),6 ～ 9.
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对芦山地震前兆的补充说明
热度 5 池顺良 2013-5-3 13:33
这篇是对【 汶川、芦山强震都有前兆，强震预报路在脚下】（ 《科技导报》 “ 芦山地震特刊 ” ） 一文的 补充说明和几幅图片 （1） 姑咱台仪器是 2006 年 10 月 28 日安装的，离汶川地震仅 1 年 7 个月。强震孕育周期长达数百年，仪器安装时离强震发生已非常邻近。如果仪器能够早几年布设下去，就会有更长的正常背景和更光滑和规则的固体潮记录。上文中图 1 所示的 2007 年 2 月 1 ～ 3 日的固体潮观测曲线就如同用曲线板描绘出的那样看上去十分光滑和规则。但仔细观测，可以发现在 3 日那天四路应变已经有很小的压性应变阶跃出现。 图 1 姑咱台固体潮曲线（ 2007 年 2 月 1 ～ 3 日）在圆圈位置已出现很小的压性应变阶跃。 图 2 是微小压性应变作球量、偏量分离后的局部放大图。图中（ 1+3 ）与（ 2+4 ）高度相关，表明这些微小的压性应变是真实的地层应变，其中已经包含了地层应变活动的不少信息。 图 2 姑咱台固体潮曲线（ 2007 年 2 月 1 ～ 3 日）微小压性应变阶跃的局部放大图。 这个微小的压性阶跃是地层已经开始微动的信号。在有更长的正常背景情况下，出现的异常应变一定更容易引起人们警惕。 在地震活动性微弱的地区，固体潮曲线就十分光滑和规则。图 3 是南京高淳台 2009 年 5 月 28 日的固体潮曲线。曲线上除了一次 7 级远震传来的震波和气压变化引起的周期约几分钟的微弱波动外没有一丝阶跃、毛刺等不规则情形。 图 3 南京高淳台固体潮曲线（ 2009 年 5 月 28 日） （ 2 ）文中多次提到，在汶川、芦山强震的邻近只有姑咱这一个应变观测台。“ 分析预报人员也难仅依据一个观测台的数据，判断未来可能发生的强震的三要素。”这也是这两次强震难以作出有效预测的一个重要原因。图 4 是汶川、芦山附近应变观测台的分布图。在汶川、芦山附近 300 千米范围内只有姑咱一个应变观测站。 图 4 汶川、芦山附近应变观测台分布图 （ 3 ）上文中 图 6 是 2013 年 4 月 14 日到 4 月 24 日 20 时的应变观测曲线。下图 5 是 4 月 14 日到 4 月 30 日 20 时的应变观测曲线。 图 5 姑咱台固体潮曲线（ 2013 年 4 月 14 日－ 30 日 20 时） 从地震后十天的记录中，尽管台站周围工程施工已经恢复，但震前 4 天中出现的大幅应变突变变化已不再出现。当然，这些应变突变究竟是不是施工干扰，我们等待授权的专业调查机构作出结论。 这里要指出的是一个值得注意的现象： 16-19 日，共有 8 次应变突变异常。其中有 3 次突变的起点与远震面波到时重合。下图 6 是 4 月 19 日 11:20 开始出现的应变突变。 2013-04-1911:05:53 ，千岛群岛 7.0 级强震的震波于 11:20 到达芦山。造成芦山强震的断裂已处于临震前极不稳定的临界状态，是否受到远震震波的触发而活动？。 另两次应变突变分别起始于： 2013-04-16 18:44:13 伊朗、巴基斯坦交界地区发生的 7.7 级地震和 2013-04-17 06:55:25 巴布亚新几内亚发生的 6.7 级地震震波到达时。 如果只有一次这样的事件可能因于时间上的巧合，三次巧合事件就值得研究了。 图 6 姑咱台第 3 路固体潮曲线（ 2013 年 4 月 19 日全天） 本人坚信“强震尤其是浅源强震可以预测、预报”，但也充分了解强震预报的难度。只要坚持严谨的科学精神，不懈地探索，屡受强震侵袭之害的中国人一定能够找到强震的预测、预报之路。 最后，我在此以一名老地震工作者的身份对广大科技工作者、《科技导报》编辑部致以最诚挚的感谢，为他们所具有的强烈的社会责任感和对地震事业的关注支持致以最崇高的敬意。
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[转载]汶川、芦山强震都有前兆，强震预报路在脚下
热度 2 池顺良 2013-5-1 21:45
汶川、芦山强震都有前兆，强震预报路在脚下 继汶川、玉树强震之后，芦山强震又一次在没有预测、预报的情况下袭来。强震能不能科学预测的问题再次受到关注。认为在目前科学水平下地震还难以或无法预测的观点已为多次强震的未能预测所支持。其科学上的原因在于：人类还没有找到强震的必震前兆。如果找到了强震的必震前兆及其科学的观测方法，其结论就会完全不同。实践是检验真理的唯一标准，正确的答案只能从实践中去寻找。这里的“实践”既指过去时，更指向现在时和未来时。 下面的这篇文章是我在《科技导报》 “ 芦山地震特刊 ” （已出版）中的文章原稿（导报的 PDF 文件无法转帖）。 分量钻孔应变仪记录的汶川、芦山 强震的前兆应变异常 池顺良 中国科学院计算地球动力学重点实验室；中国科学院大学地球科学学院，北京 100049 摘要 2007 年全国布设了由 40 台四分量钻孔分量应变仪组成的分量应变监测网络。位于四川姑咱地震台的应变仪先后记录下了汶川和芦山强震孕震过程中的潮汐畸变异常应变现象。这些异常变化基本满足地震前兆的 3 项判据，故被初步认证是该两次强震孕育过程中的应变前兆。本研究对相关记录资料进行了分析，以期为后续强震预测和预报研究提供参考。 关键词 芦山地震；汶川地震；地震预报；钻孔应变；数据自检；地震前兆 中图分类号 P315.75 文献标志码 A dol 10.3981/j ． issn ． 1000-7857.2013.12 0 前言 芦山 7 级地震再次将强震能不能预测的问题摆在我们面前，事实上中国学者地震预测探索的脚步一直没有停歇。地震前兆是地震预测的重要根据，如果观测不到强震前兆，强震就无法被预测和预报，因此发现强震前兆是实现强震预报的前提。 1966 年邢台地震后，李四光先生开始积极推进地震预报工作，强调应重视地应力测量在地震预测中的作用。本实验室从事的钻孔应变观测研究，就是李四光先生开创的地应力测量研究的接续。本文中笔者根据所了解的应变观测方面的实测资料，对强震能否预测进行了探讨。 钻孔应变（应力）观测技术是从 20 世纪 70 年代美国卡奈基研究所的萨克斯 (Sacks) 研制出世界上第一台钻孔体应变仪开始的。该仪器具有很高的灵敏度和良好的稳定性，很快被地震学家们布设到地震试验场和有地震危险的地区监视地震活动。一直忧虑东京地区地震安全的日本地震学家引进了该项技术，于 1974 年在东京周围建起了有 31 台体应变仪的监测网。但体应变仪不能检测剪应变。之后，既可测量体应变，又能测量剪应变的三分量钻孔应变仪问世。 在此期间，中国也研制成功了体应变仪和分量应变仪。中国的分量应变仪采用四分量布局，比观测对象（平面应变三分量）多一分量，因而具有数据自检功能。经过多年的实地 试验和改进，分量应变仪的性能逐渐发展完善。 2003 年，美国启动“板块边界观测计划” (PBO) ，在西部沿海地区要建设 174 个分量钻孔应变仪观测站。采用的主要是 Gladwin 3 分量钻孔应变仪。不久，就发现了“慢地震”现象。钻孔应变观测成为继测震、 GPS 后又一地学观测的重要工具。 2004 年，中国地震局确定在“十五数字地震观测网络”工程中列入分量钻孔应变仪前兆分项。 2007 年，全国布设的 40 套高分辨率四分量钻孔应变仪投入地震监测工作，至今已积累了 5 年多宝贵的实测数据。 5 年中，中国发生了汶川、玉树、芦山 3 次强震。布设的稀疏台网中的姑咱台距汶川 140km 、距芦山 80km ，位于距离震中 5-7 倍震源深度距离的边缘，还可接收到强震孕育过程中微弱的应变变化。 推测姑咱台是否接收到了汶川、芦山两次强震的应变前兆，需要基于这些异常应变是否满足地震前兆的 3 条必要判据。 (l) 有正常背景：所谓异常，是相对正常而言。而要确定异常，就必须给出正常背景； (2) 非干扰影响：异常不一定都是地震孕震产生的。首先应检查仪器是否有问题？是否降雨，河、湖、海水位是否变化，是否附近抽、蓄水、工程建设等影响？是否滑坡等局部地质活动影响？以往是否出现过类似情况？要排除所有可能的干扰影响。 (3) 与地震相关：只有这种异常变化与地震在时间、空间、机制上直接相关，才可能是地震前兆。有了围绕或处于震源区多台应变数据后就有可能作机制分析。若这些孕震过程中测得的应变数据能同孕震理论或数值模拟预期的应变变化相互印证，所谓的前兆才能彼确证，而目前这些条件我们并不完全具备。本文根据姑咱台自安装后记录的观测数据，分析了汶川和芦山地震的前兆表现，以期为强震预测和预报提供理论依据。 1 数据资料 姑咱台 2006 年 10 月到 2013 年 4 月 23 日 2 资料分析 2.1 汶川地震记录资料 姑咱台仪器 2006 年 10 月 28 日安装，几天后就记录到清晰连续的固体潮汐。图 1 是 2007 年 2 月 1 ～ 3 日，姑咱台连续 3d 的固体潮曲线，曲线光滑、规则，表明姑咱台应变记录在汶川地震发生前有正常背景。 图 1 姑咱台固体潮曲线（ 2007 年 2 月 1 ～ 3 日） 2007 年 4 月中旬后，光滑的固体潮曲线上不时出现“压性脉冲”和“潮汐畸变”。之后，压性脉冲越来越严重。这种现象持续了 13 个月。图 2 是 2007 年 6 月 22 ～ 24 日连续 3d 姑 咱台的纪录。 图 2 姑咱台固体潮曲线（ 2007 年 6 月 22 ～ 24 日） 通常情况下，记录数据出现不规则变化时首先要排除是否仪器故障。但 4 分量应变仪具有检验观测数据真实性的自检功能。白检条件为 1 路数据 +3 路数据 =2 路数据 +4 路数据 + 任意常数 = 面积应变 (1) 式 (1) 满足时，表明 4 路观测数据反映了地层真实的应变变化。 图 3 为根据图 2 数据计算的 (1+3) 和 (2+4) 两条体应变曲线，两曲线的相关系数达到 0.996 ，据此判断异常应变记录并非仪器故障，确实是地层真实的应变变化。 图 3(1+3) 和 (2+4) 体应变曲线（根据图 2 数据） 固体潮曲线畸变和“压性脉冲”越来越频繁，幅度越来越大，在 5.12 临近前夕出现了一段相对平静时段，直到 5 月 12 日 8.0 级大地震发生。图 4 是 2008 年 2 月 14 ～ 18 日 5d 姑咱台的连续记录。地层中大量的应变突变将正常的应变潮汐几乎完全掩盖。 图 4 姑咱台固体潮曲线（ 2008 年 2 月 14 ～ 18 日） 尽管在 5.12 汶川地震之前 13 个月就发现了姑咱台的“压性脉冲”和“潮汐畸变”应变异常，但相距数百米至数千米范围内无同类仪器比对，分析人员无法肯定是地震前兆还是某种未知干扰源所致（能引起相距数千米的两台仪器能产生同样记录的只有大自然的力量）。为判断姑咱台钻孔应变仪观测到的“压性脉冲”和“潮汐畸变”的异常性质，准备在附近增设仪器比对观测来进一步分析，但钻孔地点还未落实，汶川大地震就已发生。地震后，“潮汐畸变”异常减弱。 3 年后固体潮记录逐渐恢复到图 l 所示的光滑、规则形态。表明这些应变异常确与汶川地震密切相关。 以上仅为关于布设在汶川震源区边缘的姑咱台记录到汶川强震孕育中应变前兆的定性说明，有关的学术论文请参考文献 。 2.2 芦山地震记录资料 2012 年姑咱台的固体潮记录已恢复到图 1 所示的光滑、规则形态，但从 9 月开始，又不时出现：“压性脉冲”和“潮汐畸变”。图 5 是 2012 年 11 月 2 ～ 4 日连续 3天 的应变观测数据。 图 5 姑咱台固体潮曲线（ 2012 年 12 月 2 ～ 4 日） “潮汐畸变”现象从 9 月到 12 月持续了 3 个多月。数据自检表明这种异常应变仍属地下应变变化的真实反映，说明导致汶川地震的龙门山断裂的活动并未停止。从 12 月之后，固体潮又逐渐恢复光滑、规则的形态。如何认识和解释这三个月的应变异常，成为分析者的疑问。如果这是未来可能发生强震的预兆，承担预测重任的分析预报人员也难仅依据一个观测台的数据，判断未来可能发生的强震的三要素。 2013 年 4 月 15 日 18 时 20 分，姑咱台四路应变忽然同时出现突跳，幅度达 1.2 × 10 － 7 应变； 16 日到 19 日，四路应变又同时出现大幅度变化，幅度超过了 3 × 10 － 7 应变。当时，台站附近公路上正在施工，一时难以确定这些应变异常究竟是施工人为干扰还是前兆应变异常。 20 日 8 时 02 分芦山 7 级强震发生。 图 6 是 2013 年 4 月 14 日到 4 月 24 日 20 时的应变观测曲线。 4 月 20 日的芦山 7 级地震的震波标出在图上。震前激烈的应变变化十分令人注目。如果这些激烈的应变变化不是人为干扰，而是强震即将发生前的某种应变信号，对强震预测、预报无疑十分重要。期待之后的调查能搞清这些异常应变的性质。这种调查往往耽误时间，更好的解决方案则是在仪器的布置上考虑拉开数千米距离双份比对测量。美国 PBO 项目中采用的是三份比对，慢地震现象就是由三份同步变化的资料确认的。 图 6 还记录了芦山 7 级地震的震时应变阶，由此可以计算这次地震导致台站所在地层水平应变变化的幅度和方向。有密集的监测网就可获得强震后区域应力调整图，有助于确定应力增强与减弱区域。 图 6 姑咱台固体潮曲线（ 2013 年 4 月 14 日－ 24 日 20 时） 汶川、芦山两次强震都是龙门山断裂带活动的产物，故两次强震前有大致相同的“压性脉冲”和“潮汐畸变”应变前兆异常反映符合常理。 3 地震预测进展 依据十五期间布设的 40 台仪器取得的观测数据，还取得了以下有助地震预测进展的成果： (1) 世界上首次发现了应变固体潮汐响应的各向异性现象，并提出这种各向异性由附近断层引起的成因解释，开拓了通过应变固体潮观测，了解断层走向及断层连接状态的新方法，为通过应变观测揭示断裂活动开辟了新途径 ；（ 2 ）发现潮汐因子超理论预期的大幅变化； (3) 实现了 5 年长期变化数据满足 (1+3)=(2+4) 严格的自检条件，使钻孔应变观测技术向超低频段扩展，向构造应变活动的长期监测目标进一步靠近： (4) 日本 9 级特大地震前，首次观测到地层强烈被压缩现象 ； (5) 扩展钻孔应变仪的观测频段 0-3000Hz ，以便接收地声等临震信号。 3 讨论 地震预测、预报是一项浩大的科学工程，应变监测只是其中的一个分项。这项艰难的研究工作要求研究者无怨无悔地贡献毕生精力。在多次强震袭击的失败预报面前，地震预测、预报的实现更需要党中央的坚强领导和全国人民的支持。 地震工作者在多次的失败和各种地震预报不可能成功的悲观失望论调面前，除了无怨无悔地埋头苦干，还要坚定信心。和 20 世纪 60 、 70 年代相比，科学技术已有了巨大的发展。那时，要获取地处遥远观测台站数据，只能通过信件传送。现在，我们随时可以调取数千千米远处台站的数据，遥控操作仪器。在物联网时代，要实现技术上需要的仪器布设密度已没有任何技术和经济上的难关。只要坚持努力，实现科学的、有减灾实效、大大降低以至避免伤亡的强震预报并非是不可能的事情。 中国地震工作者在实地观测数据基础上，发现强震是有应变前兆的。因此强震尤其是浅源强震是可能被人类预测、预报的。说‘可能’是因为要实现预测、预报，还有其他的必要条件。打个比方，有了高射武器原则上就有了打下入侵敌机的可能，但能否击落敌机还与阵地密度与布置，火力强度及指挥艺术等诸多因素有关。 中国地震工作者有信心、有决心，寻找到强震预测的有效途径，攻下地震预测难题。 参考文献： 邱泽华、周龙寿，用超限率分析法研究汶川地震的前兆应变变化，大地测量与地球动力学， 2009 ， 29 ： 1 ～ 9. 邱泽华、张宝红、唐磊、宋茉，汶川地震前姑咱台观测的异常应变变化，中国科学：地球科学， 2010 ， 40 ： 1031 ～ 1039. 刘琦 , 张晶， S 变换在汶川地震前后应变变化分析中的应用， 大地测量与地球动力学， 2011 ， 31 ： 6 ～ 9. 邱泽华、石耀霖， 地震造成远距离应力阶变的观测实例，中国科学（D辑） ，2003，33（增刊）：60-64 池顺良、武红岭、骆鸣津， 钻孔应变观测中潮汐因子离散性与各向异性原因探讨， 地球物理学进展〔j〕，2007，22（6）：1746-1753 池顺良，日本 9 级大震前我国钻孔应变网测到两起地块强烈受压事件，地球物理学进展， 2011 ， 26 ： 1583 ～ 1586.
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汶川地震的应变前兆（中）
热度 2 池顺良 2012-6-22 10:31
4. 汶川地震的应变前兆 汶川 8.0 级地震发生前的 2008 年 5 月 6 日，地壳应力研究所郭启良团队在位于龙门山地震带青川一带作工程项目。在多个 420m 深的钻孔中开展水压致裂原地应力测量。在 300 ～ 400m 深度上测得最大水平主应力值高达 21 ～ 22MPa ，最小水平主应力值为 13 ～ 14MPa ，均大于垂直主应力。主应力方向 NW 至 NWW 向，与构造应力方向符合。表明龙门山断裂带此时水平构造应力强烈。青川正位于龙门山断裂带上。一个星期后汶川大地震发生。 大震发生后的 7 月初，郭启良团队又到青川测孔的各相同测段复测，发现大震前后的应力变化显著，大震后主应力值降低约 30 ％。 地震是由贮藏在地壳硬岩层中的弹性应变能释放所致。汶川地震临震前，郭启良在发震断裂带上观测到的地应力高值异常是强震孕育和发生的警示标志，是汶川大地震在震源区被观测到的应变异常源兆。但原地应力测量的数据不能形成连续数据流，难以跟踪应力的变化。若在汶川地震震源区布置有多台能连续测量的分量钻孔应变仪测点，多台仪器同步的异常一定会引起地震监测部门的高度重视，海城地震 7 级地震成功预测避免数万人伤亡的事绩可能再次出现。 2003 年美国公布 “ 地球透镜 ” 计划，计划在美国西部部署 200 台分量钻孔应变仪，监视板块运动和地震活动。消息传到中国， 2004 年在有关专家、院士建议下，确定在我国 “ 十五数字地震观测网络 ” 中列入分量钻孔应变仪观测分项。 2005 年中国地震局对 YRY-4 型分量钻孔应变仪的各项性能指标进行严格测试，该型仪器入选。 2006 － 2007 年，在各方协作配合下 38 台 YRY-4 型分量钻孔应变仪在全国布设完成。图 1 是汶川周围地区 20 个钻孔四分量应变台站的分布。离汶川最近的是姑咱台。 图 1 汶川周围 20 个钻孔四分量应变台站的分布 ( 三角形标识 ) 。离汶川最近的是姑咱台（图件引自中国地震局钻孔应变学科管理组） 汶川地震后，中国地震局钻孔应变学科管理组对 “ 十五 ” 期间安装的 38 套四分量钻孔应变仪数据进行分析，结果表明离震中最近的姑咱台显示有明显前兆异常。 姑咱台处于北西向的鲜水河断裂带、北东向的龙门山断裂带和北南向的安宁河断裂带复合部位靠北的地段，座落于姑咱镇西面鸡心梁子山背斜的核部。 姑咱台离汶川 140 公里（图 1 ）。仪器 2006 年 10 月 28 日安装，几天后就记录到清晰连续的固体潮汐。（图 2 ）是任意截取 2007 年 2 月 1 日到 3 日，连续 3 天的固体潮曲线，曲线光滑、规则。表明姑咱台应变记录在汶川地震发生前是 有正常背景的 。 图 2. 汶川地震十五个月前，姑咱台固体潮曲线光滑而规则。图为 2007 年 2 月 1 日到 3 日的记录。姑咱台应变记录在汶川地震发生前是有正常背景的。 从 2007 年 4 月中旬以后，原先光滑的固体潮曲线上，不时出现 “ 压性脉冲 ” 和 “ 潮汐畸变 ” 。随后，压性脉冲越来越严重。一直到 5.12 汶川大地震发生，几乎每一天的固体潮曲线都有 “ 压性脉冲 ” 和“潮汐畸变 ” 。这种现象持续了 13 个月。（图 3 ）是 2007 年 6 月 22 日到 24 日连续 3 天的纪录。 （图 3 ） 2007 年 4 月以后，固体潮出现畸变和大量“压性脉冲”，图为 2007 年 6 月 22 日到 24 日的纪录 通常情况下，记录数据出现不规则变化我们首先要排除是否仪器故障。但四分量应变仪具有检验观测数据真实性的自检功能。自检条件为： 1 路数据＋ 3 路数据 ＝ 2 路数据＋ 4 路数据 ＋ 任意常数 ＝ 面积应变 （ 1 ） （ 1 ）式满足时，表明 4 路观测数据反映了地层真实的应变变化。 （图 4 ）是从（图 3 ）数据计算的（ 1+3 ）和（ 2+4 ）两条面应变曲线图，两曲线的相关系数达到 0.996 ，据此判断异常应变记录并非仪器故障，确实是地层真实的应变变化。 图4. “压性脉冲”和“潮汐畸变”在（1+3）和（2+4）体应变同步，相关系数达0.996 随着 5.12 临近，固体潮曲线畸变和 “压性脉冲”越来越频繁，幅度越来越大。直到 5 月 12 日 8.0 级大地震发生。（图 5 ）是震前三个月时， 2008 年 2 月 14 日到 18 日 5 天的连续记录。地层中大量的应变突变将正常的应变潮汐几乎完全掩盖，就像心脏病发作前后杂乱的心电图记录。 图 5. 临近汶川地震，姑咱台 2008 年 2 月 14 日到 18 日 5 天的连续记录。 尽管在 5.12 之前 13 个月，就发现了姑咱的“压性脉冲”和“潮汐畸变”应变异常。由于以前没有见到过这类异常，这样高精度的仪器用于地震应变前兆监测的历史很短，分析人员无法肯定是地震前兆，是否仪器性能变化或某种未知干扰源所致？曾经怀疑应变异常由地下水位变化所致，但分析同步的水位记录，两者变化完全不相关。对周围环境条件的调查，也未发现可能的干扰源。分析人员没有取得一致意见，更多人认为是某种不明干扰所致，判断是否异常耽误了大量时间。和刑侦需要旁证一样，如果有几台仪器记录到同步的异常，分析人员就容易判断“案情”。为判断姑咱台钻孔应变仪观测到的“压性脉冲”和“潮汐畸变”异常，只有再在附近增设仪器比对观测来进一步分析。但还未落实钻孔地点，汶川大地震就发生了。 5. 对汶川地震应变前兆的再认识 2008 年 5 月 12 日，汶川 8.0 级大地震发生，全国震惊。被赋予地震监测预报重任的中国地震局倍感压力。 2008 年 9 月初，中国地震局召开专门技术会议，分析各项前兆观测技术对汶川地震的前兆响应。 中国地震局《汶川 8.0 级地震总结与反思地震预报工作组》在“ 2008 年汶川 8.0 级地震科学总结与反思报告”中写道：“地震预报是当今世界科技难题之一，汶川 8.0 级地震的大量资料不仅是今天地震预报研究的宝贵财富，也是今后开展地震预测研究的宝贵财富；不仅是我国地震预报研究的宝贵财富，也是全世界地震预报研究的宝贵财富。为此，全国乃至全世界的地震科学家，都希望通过对汶川 8.0 级地震总结与反思，为历史留下一份宝贵的资料。” 姑咱台从汶川地震一年多前就记录到的，随着大震的临近越来越强烈的应变异常究竟是不是汶川地震的应变前兆呢？ 中国地震局钻孔应变学科管理组的研究人员在分析资料的过程中经历一次认识的转变。 2008 年底，中国地震局钻孔应变学科管理组的邱泽华、唐磊等在“2008年汶川 8.0 级地震前分量式钻孔应变仪台网观测的变化”一文中叙述了这一转变。 文中谈到：“我们对汶川地震区周围‘十五’期间新建立的分量式钻孔应变台站的数据采用常规的处理方法进行了初步分析，结果表明地震之前没有可靠的明显异常。” 但在“采用新的数据处理方法后，得到了较为可靠的震前异常信息。” 邱泽华等用他们提出的“超限率分析法”，对钻孔应变仪的数据进行分析。“发现离震中最近的姑咱台资料的短周期变化，确实与汶川地震有相当明显的相关性”。 2009 年 10 月，邱泽华、周龙寿等在《大地测量与地球动力学》杂志上发表文章，“确认 汶川地震前 姑咱台钻孔应变仪观测到的频繁的脉冲变化，是地震前兆信号” 。文章还将姑咱的前兆异常“与唐山地震前钻孔应力观测到的前兆异常变化比较，引人注意的是，二者都是以周期比较短的频繁的脉冲为特点”。 若地震后，这些异常又逐渐消失，固体潮又能逐渐恢复光滑，那么就有更大的把握可以下“这就是汶川地震应变前兆”的论断。 地震发生后，姑咱台钻孔应变仪的“压性脉冲”和“潮汐畸变”仍未消失，但随着时间的流逝，“压性脉冲”和“潮汐畸变”的频度和幅度逐渐减少。在汶川地震一年半后，固体潮曲线果然又慢慢开始恢复光滑了。 （图 6 ）是 2009 年 10 月 6 日到 8 日三天连续记录。固体潮曲线逐渐恢复到光滑状态。 图 6. 姑咱台 2009 年 10 月 6 日到 8 日的记录曲线，固体潮曲线已大体恢复正常。 2010 年 8 月，《中国科学：地球科学》上刊登了邱泽华等“汶川地震前姑咱台观测的异常应变变化”一文。该文指出：“汶川地震前一年多开始，位于龙门山断裂带西南端的姑咱台钻孔应变仪，记录到异常应变变化。这种异常变化以短周期（数分钟至数小时）的“毛刺”形态为特征。在全国 100 多个钻孔应变台中，姑咱台距震中最近，也只有该台记录到这种异常变化。姑咱台钻孔应变观测良好的自检结果，说明了观测应变变化的可靠性。这种持续出现的异常变化与季节变化明显不同步，不是环境干扰因素造成的。异常变化与长期趋势变化以及同震阶跃变化的一致性，进一步说明这种异常应该是构造运动的表现。超限率分析结果显示：这种异常变化在汶川地震主震前逐渐增大，震时特别剧烈，震后逐渐衰减，显示了与该地震相当密切的相关性 。这种变化的机制可能是当地附近的小尺度岩石破裂。小波分解结果表明：主震前，比较长周期的异常成分出现得比较晚，这是破裂尺度在增大的表现。” 文章又指出：“在钻孔应变观测资料中发现姑咱台观测到的这种震前异常，这是第一次，但是， 1976 年唐山地震之前，位于震中区内的赵各庄台和陡河台钻孔应力（电感法）仪，也曾观测到类似的异常变化．尽管赵各庄台和陡河台的钻孔应力仪精度不高（比姑咱台钻孔应变仪约低 3 个量级），观测记录也只有日均值，但是因为同时有两个台站记录到类似的变化，因此具有相当大的可靠性．这两个台站观测到的异常变化同样表现为频繁的跳动，并且这种跳动也是震前一年多就开始了．” “这样可比的两个震例的观测资料，说明这种异常可能具有普遍意义．”“姑咱台观测到的异常应变变化可能是极其重要的．如果应变地震前兆是这种形态的，那么中短期地震预报研究就有希望迈出关键的一步，这不仅因为这种应变变化包含丰富的信息，还因为它与正常变化以及众多干扰影响都不同，容易识别，并且是持续发展的，使我们有可能把握其进程作出比较可靠的判断．针对这种难得的观测资料，要做的研究工作很多，特别是应结合震源机制建立应变场变化的模型进行对比．我们的这种时间序列分析为进一步的研究打下了比较可靠的基础．” 因为有 正常背景、非干扰影响、与地震相关 ，姑咱台的异常应变被认证为汶川大地震的应变前兆。 我国分量钻孔应变观测台网第一次在一个观测点上捕捉到了一次8级特大地震近场应变经历平稳－紊乱－恢复平稳变化的完整过程。这在国际上也是第一次。 2012-06-20
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全光纤多参量地球物理监测设备在普洱市大寨地震观测站成功下井
热度 4 zhwt 2011-12-16 14:55
全光纤多参量地球物理监测设备在普洱市大寨地震观测站成功下井
在国家自然科学基金、中国地震局地震行业科研专项和中国科学院先导专项的支持下，中科院半导体研究所光电系统实验室在国内率先研制成功“全光纤多参量地球物理监测设备”，并在普洱市大寨地震观测站成功下井。 下井现场照片 地震监测室内的光纤监测系统 高性能的地球物理监测设备能够为地震的预测预报提供高质量、可靠的观测数据。随着科技的进步，地震观测向着高分辨率、高精度、多参量的方向发展，对观测设备的性能提出了更高的要求。传统观测设备采用电学原理，动态范围小、抗电磁干扰和雷击能力差。正是在这种背景下，中国科学院的研究人员开始了全光纤多参量地球物理观测设备的研发。全光纤地球物理观测设备具有灵敏度高、抗电磁干扰性强、抗雷击、耐高温高压、无漏电的优点，能够实现多参量测量，特别适合深井观测。 半导体所光电系统实验室的科研人员在对国外技术方案进行了深入分析和详细论证的基础上，在国际上首次提出了采用光纤激光技术的系统方案。经过刻苦攻关，课题组突破了光纤激光器关键器件的研制以及高灵敏度封装与多参量集成等一系列关键技术，成功研制出全光纤多参量地球物理观测设备，申请发明专利 4 项。该设备设计使用深度达 1000 米，设计使用温度 120 度，可实现地温监测、 3 分量地震加速度监测、地应变监测、地声监测，通过一根传输光缆将数据实时传输至监测室。 2011 年 9 月 9 日，中国科学院半导体研究所张文涛副研究员、北京市地震局徐平研究员、中国地震局第二监测中心刘文义研究员、地壳运动监测工程研究中心李丽研究员、中国地质调查局地质力学研究所彭华研究员、云南省普洱市地震局局长白宝荣对全光纤多参量地球物理观测设备进行了下井方案论证和下井前测试。 9 月 10 日设备成功下井。 2011 年 11 月 30 日，在普洱市地震局白宝荣局长和王跃民副局长的陪同下，中国科学院半导体研究所张文涛副研究员带领研究团队对监测设备进行了升级维护。 高性能全光纤多参量地球物理观测设备的研制成功，填补了国内空白，同时也 标志着新一代 地球物理观测设备 已从实验室研发走向工程应用。
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关于建设重防强震带钻孔应变监测台网的设想
邱泽华 2010-4-9 10:26
重防强震带 一方面，造成人民生命财产严重损失的主要是强震（ 7 级以上的大地震）；另一方面，强震积累、释放的能量大，作用范围大，前兆现象也比较明显、分布区域大。因此，作为第一步，我们的目标是对强震进行预测。 中国有全世界最长的历史地震目录。根据这个目录，我们知道强震并非发生在中国的所有地方，而是局限在地壳构造运动特别强烈的部位，称为强震带。 对照中国大陆人口分布，我们看到，并非所有强震都发生在人口稠密地区。有些地区人烟稀少，一方面，即使发生强震也不会造成重大灾害；另一方面，在这些地区开展监测也很困难，可以放到将来。 因此，兼顾我们的需求和能力，我们实际上首先要做的，是在强震带上的那些人口比较密集、经济比较发达的需要重点防御的地区预测强震。我们称这种地区为重防强震带。在中国大陆，主要包括：大华北；南北带；天山地区。其中，大华北是重中之重。另外，还有一些特殊地区。 总体目标 形成一个初步覆盖中国大陆重防强震带的钻孔应变监测网。 初步覆盖的含意： 1 ）大华北：使未来强震发生区（断层破裂带或余震分布区）内或旁边至少有 4 个监测点能观测到前兆异常。 2 ）南北地震带和天山地区：使未来强震发生区（断层破裂带或余震分布区）内或旁边至少有 3 个监测点能观测到前兆异常。 布网原则 1） 以往观测到应力－应变地震前兆的事例，观测点都位于地震断裂带上。因此，监测点要沿强震断裂带布设。 2） 兼顾强震带的宽度和我们的能力，一般可采用双线方式布设观测点（图 a ）。对于很窄的断裂带也可以单线，对于特别宽的断裂带也可以三线。 3） 根据经验公式， 7 级地震的断层长度约为 50km 。根据乌恰地震的观测结果，用现在的仪器，沿地震断层，在 50km 远处应该可以观测到前兆变化。因此，只要以 50km 为间距沿断裂带布设监测点，就能使当这样的地震发生时，至少有 3 个点能观测到前兆异常（图 b ）；只要以 35km 为间距沿断裂带布设监测点，就能使当这样的地震发生时，至少有 4 个点能观测到前兆异常（图 c ）。 布网草案 全国重防强震带总长度约 10000km ，共约需 450 个监测点。 1、 大华北： 监测点间距 35km ，强震带长约 4000km ，约需 210 个监测点。 2、 南北地震带： 监测点间距 50km ，强震带长约 4000km ，约需 160 个监测点。 3、 天山地区： 监测点间距 50km ，强震带总长 2000km ，约需 80 个监测点。 一些特殊地区可以个别处理。 预计效果 对没有强震异常的地方，可以报平安。 当强震来临的时候，对地震三要素的预报： 1、 强度（震级）：破坏性地震（ 7 级以上）。根据是：我们业已发现可靠前兆的地震都是 7 级以上的破坏性地震。 2、 地点：根据对所有地震实例的比较，震中地区应该有更加强烈的前兆变化。因此，根据各观测点前兆变化程度的不同，可以判定震中地点。精度就决定于观测点间距。沿地震带：华北 35km ，南北带和天山 50km ；跨地震带：双线点对间距。 3、 时间：根据唐山地震和汶川地震的前兆观测实例，破坏性地震前一年多就能观测到异常变化。根据乌恰地震的经验，震前 1 － 2 月，震中附近的异常将变得特别明显。因此，通过对所有异常点观测变化的分析，可以估计地震发生的时间。但是，误差可能达数月。这是一个需要我们努力进一步解决的问题。有利的因素是： 1 ）我们还有其它观测的配合； 2 ）一旦出现异常，我们有时间利用各种流动手段针对异常区域开展加密观测； 3 ）我们可以有针对性地利用长期积累起来的临震异常知识，大大缩小这个误差。 图 监测点布设间距的选取 以 50km 为间距最有利的情况是有 4 个观测点可观测到异常，一般有 3 个； 以 35km 为间距最有利的情况是有 5 个观测点可观测到异常，一般有 4 个。
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从汶川地震应变前兆看大地震预测审慎乐观前景
池顺良 2010-3-23 10:23
从汶川地震应变前兆看大地震预测 审慎乐观 前景 池顺良 准确预测大地震的地点、时间和强度，可以拯救成千上万人生命，减少地震造成的经济损失，保障社会稳定与和谐发展。这一目标的实现，有赖于寻找到确定性的地震前兆，即可以在大地震之前被无一例外地观测到，并且一旦出现，必将发生大地震的异常变化。世界各国为寻找这种前兆，设计、布置了多处地震预报试验场。 美国 Parkfield 地震预报试验场中，安置了大量先进的观测仪器。之后发生了一个 6 级地震，科学家们并没有用它捕捉到任何明显前兆信号。全世界多个 地震预报试验场数十年守株待兔，至今未取得突破性进展，没有发现确定性的地震前兆。但地震科学家们仍未放弃这种努力 。 我国建设分量钻孔应变仪台网寻找大地震应变前兆 为继续寻找地震前兆，地震学界推出了新型地震前兆观测仪器―多分量钻孔应变仪。 2003 年，美国地球透镜计划决定在西海岸地区布设 200 台三分量钻孔应变仪，探索地质构造运动和地震孕育过程 。 2004 年，我国数字地震观测网络工程决定在全国布设分量钻孔应变仪。到 2007 年底， 40 套国产四分量钻孔应变仪在全国布设完成。观测点设备包括四分量应变探头、水位气压辅助观测探头、采集控制机箱、网络传输电路、全隔离供电电源、信号输出隔离光纤等。实现了全自动无人值守、网络传输数据、台网中心自动调集全国数据等新技术。数采采样率为每分钟一次。 图 1. 是分量应变观测台站分布图。 图 1. 分量应变观测台站全国分布图。 汶川地震前后分量钻孔应变仪记录到的应变异常 分量钻孔应变仪就是李四光倡导的地应力仪。 1985 年，我国四种钻孔应变仪通过国家鉴定。在钻孔应变观测技术方面，我国具有充分的自主知识产权，技术上也处于前沿水平。钻孔应变仪埋设在数十至数百米深，与岩层粘结为一体，它可以感应地层极微弱的伸长、压缩及扭切变形，其感应灵敏度相当于 1000 公里地面伸缩 0.1 毫米即可发现。由于深埋于地下，它可以避开地表各种干扰，使得这种仪器能够探测到地球的脉搏和心电图―固体潮。地震活动性弱、地壳稳定地区，固体潮曲线光滑、规则，潮汐调和分析精度高。如图 2 ，是上海佘山台连续 3 天的固体潮记录，它展示了一天一次大潮、一次小潮光滑而规则的固体潮曲线及远处传来的地震波，如果曲线长期光滑规则，表明这里地层稳定。但在地震活动性较强的地区，固体潮曲线上会出现一些不规则变化，出现潮汐畸变现象。 图 2. 上海佘山台 2008 年 3 月 3 日到 5 日连续 3 天的固体潮记录图。 在四川汶川发生 8.0 级特大地震前后，离汶川最近的 姑咱台分量钻孔应变仪就记录到延续三年多的 潮汐畸变、 压性脉冲应变异常。 姑咱台处于北西向的鲜水河断裂带、北东向的龙门山断裂带和北南向的安宁河断裂带复合部位靠北的地段，坐落于姑咱镇西面鸡心梁子山背斜的核部。 姑咱台离汶川 140 公里 （图 1 ） 。仪器 2006 年 10 月 28 日安装，几天后就记录到清晰连续的固体潮汐。 图 3 是 2007 年 2 月 1 日到 3 日， 姑咱台记录的 连续 3 天 光滑，规则 的固体潮曲线。 图 3. 汶川地震十五个月前， 2007 年 2 月 1 日至 3 日姑咱台记录的 光滑规则 的固体潮曲线 。 从 2007 年 4 月中旬以后，原先光滑的固体潮曲线上，不时出现 压性脉冲 和 潮汐畸变 。随后，压性脉冲越来越严重。一直到 5.12 汶川大地震发生，几乎每一天的固体潮曲线都有 压性脉冲 和潮汐畸变 。这种现象持续了 13 个月。 （图 4 ）是 2007 年 6 月 22 日到 24 日连续 3 天的纪录。 （图 4 ） 2007 年 4 月以后，固体潮出现畸变和大量压性脉冲，图为 2007 年 6 月 22 日至 24 日的纪录 通常情况下，分量应变仪钻孔记录数据出现不规则变化，我们首先判断是否仪器故障。但四分量应变仪具有检验观测数据真实性的自检功能。自检条件关系式为： 1 路数据＋ 3 路数据 ＝ 2 路数据＋ 4 路数据 ＋ 任意常数 ＝ 面积应变 （ 1 ） 当上述关系式满足时，表明 4 路观测数据反映了地层真实的应变变化。 图 5 是从图 4 数据计算的（ 1+3 ）和（ 2+4 ）两条面应变曲线图，两曲线的相关系数达到 0.996 ，据此判断异常应变记录并非仪器故障，而确实是地层真实的应变变化。 随着 5.12 的临近，固体潮曲线畸变和 压性脉冲越来越频繁，幅度越来越大。直到 5 月 12 日 8.0 级大地震发生。图 6 是震前三个月时， 2008 年 2 月 14 日到 18 日 5 天的连续记录。 尽管在 5.12 之前 13 个月时 ，就发现了姑咱台记录的 压性脉冲和潮汐畸变 应变异常，但要肯定是地震前兆，单台仪器的记录终存在各种疑问。分析人员对姑咱台的应变异常是否是地震前兆也有不同看法，如是否仪器性能变化或某种未知的干扰源所致？曾经怀疑应变异常是由地下水位变化所致，但分析同步的水位记录，两者变化完全不相关。对周围环境条件的调查，也未发现可能的干扰源。但台上其它形变仪器并未发现类似异常，并且全国数百套形变观测仪器 30 年来几乎没有观测到过类似情况。如何判断姑咱台钻孔应变仪观测到的 压性脉冲和潮汐畸变异常，只有再在附近增设仪器比对观测来进一步分析。但还未落实钻孔地点，汶川大地震就发生了。 图 5. 压性脉冲和潮汐畸变在（ 1+3 ）和（ 2+4 ）体应变同步，相关系数达 0.996 图 6. 临近汶川地震，姑咱台 2008 年 2 月 14 日至 18 日， 5 天的连续记录。 2008 年底，邱泽华、唐磊、周龙寿、 阚 宝祥 用他们提出的超限率分析法 ，对钻孔应变仪的 分钟值数据（传统的地震预报分析，通常不使用分钟值数据）进行分析。发现离震中最近的姑咱台资料的短周期变化，确实与汶川地震有相当明显的相关性 。 2009 年 10 月，邱泽华、周龙寿等在《 大地测量与地球动力学》杂志上发表文章， 确认 汶川地震前 姑咱台钻孔应变仪观测到的频繁的脉冲变化，是地震前兆信号 。文章还将姑咱的前兆异常与唐山地震前钻孔应力观测的前兆异常变化 比较，引人注意的是，二者都是以周期比较短的频繁的脉冲为特点 。 汶川地震后， 我国材料科学与工程技术领域著名专家金日光教授，根据地壳断裂流变动力学和群子统计力学。对中国地震台网中心提供的钻孔应变、重力、倾斜等观测数据进行了细致的分析处理，也得出了姑咱台的应变数据反映了汶川地震孕震过程的结论 。 现在仍然 没有一种演绎推理的方法，可以最终证明地震前的某种变化是地震前兆。姑咱台记录到应变异常，之后地震发生，已有一些研究指出两者间有密切的相关性。 若地震后这些异常又逐渐消失，固体潮又能逐渐恢复光滑，那么就有更大的把握可以下这就是汶川地震应变前兆的论断。 地震发生后，钻孔应变仪的压性脉冲和潮汐畸变仍未消失，但随着时间的流逝，压性脉冲和潮汐畸变的频度和幅度逐渐减少。 在汶川地震一年半后，固体潮曲线果然又慢慢开始恢复光滑了。 图 7 是 2009 年 10 月 6 日到 8 日，连续 3 天的记录。将图 3 至图 7 整个过程联系起来，历时 3 年多， 经历平稳－紊乱－恢复平稳 变化的渐变过程，排除了气象因素等干扰的可能。 这些事实使我们相信，姑咱台确实记录到了汶川大地震的应变前兆。 图 7. 姑咱台 2009 年 10 月 6 日至 8 日的记录曲线，固体潮曲线已大体恢复正常。 大地震的孕育是个漫长、渐变的过程。实际上，在震前 16 个月，固体潮曲线上已经出现了压性脉冲和压性台阶，只是数量少、幅度小。仔细观察图 3 ，可以发现 2 月 3 日有一个不易察觉的压性小台阶。但在震前一年到震后一年这段时间中，压性脉冲和压性台阶数量多、幅度大，几乎找不到一天的固体潮记录是清晰、光滑的。 大地震后，压性脉冲和压性台阶数量开始减少，幅度减小。一年半后，较为清晰的固体潮记录图形逐渐开始出现。一个 8 级大地震的余震会延续数十年，要恢复到非常光滑、规则的固体潮记录，怕要若干年后了。 地震前后 3 年多，姑咱台共有 1200 多天记录数据，数据完整率接近 100% ，难以全部展示。我们将 2006 年 11 月到 2010 年 2 月共 40 个月，每个月取前五天，共 200 天的第一分量消除趋势变化后的记录图形，展示在图 8 至图 11 中，从中我们可大致了解应变异常的变化过程。 我国分量钻孔应变观测台网 第一次 在一个观测点上 捕捉到了一次特大地震近场应变 经历平稳－紊乱－恢复平稳 变化的完整过程。这在 国际上也是第一次。 图 8. 2006 年 11 月至 2007 年 8 月，每月前 5 天的记录曲线 图 9. 2007 年 9 月至 2008 年 6 月，每月前 5 天的记录曲线 图 10. 2008 年 7 月至 2009 年 4 月，每月前 5 天的记录曲线 图 11. 2009 年 5 月至 2010 年 2 月，每月前 5 天的记录曲线 关于强震近区应变前兆普遍性的讨论 姑咱台记录到的这种应变前兆只是个个例。无法确定其普遍性，或者说，无法据此判断这种应变前兆是否 确定性地震前兆。从统计学观点，如果想回答这个问题，就要经历相当多次大地震的检验，才能从统计上得出结论。经历了唐山、汶川惨剧，我们不能再听任破坏性大地震施虐，靠一次次的惨剧来扩大统计样本。必须充分利用 40 年宝贵的实践资料及数据形成的对地震过程的科学认识，用科学分析来解答这一问题。 1976 年唐山 7.8 级地震 发生的时候，震中区有赵各庄、陡河两个压磁钻孔地应力观测点。 震前两百多天两个台记录的曲线就开始异常抖动，特别是向上跳动（表示受拉伸），越临近地震跳动得越厉害。 当时仪器灵敏度低，采用人工读数每 4 小时记录一次数据，采样密度小。 但震中区异常幅度大，震前的应变异常还是被测出来了。两个台可以互相佐证的观测资料保证了它们的可靠性 。 1985 年 8 月 23 日 新疆乌恰 7. 1 级地震。距震中 30 － 40kmd1 喀什台土层应力仪在地震前两个多月就出现异常变化。喀什台的土层应力仪有连续的纸带模拟记录。 1984 年全年和 1985 年 6 月份前的观测记录还相当光滑，而 7 月份的曲线却出现了向下的受压变化及很多毛刺。到了 8 月份，地震发生前，毛刺已经变成了剧烈的波动。地震后波动逐渐衰减，之后恢复平缓 。 这种地震前兆变化与唐山地震前的现象非常类似。 唐山和乌恰地震，地应力仪的灵敏低，但仪器离震中很近，仍记录到了强震孕育可信的应变异常。姑咱台离强震震中较远，但由于仪器的高灵敏度，强震孕育时微弱的应变异常仍被记录到了。大地震终究是小概率事件，位于震中附近的仪器数量极少，有这样几次事件重复出现，说明强震近区应变前兆有普遍性。 地震本质是地层中积累的弹性应变能释放。根据弹性力学中圣维南局部影响原理 ( 圣维南，法国科学院院士，弹性力学家 ) ，震源体处引发地震的构造应力 是一个平衡力系，只会使震源区近处产生显著的应力应变 , 而远处的应力应变随距离增加迅速衰减。不论何种类型的地震，只要是应力积累引发的地震，岩层必然经历 从线弹性变形向破裂前的非线性变形迫近的一系列应变变化。 在震源及临近地区布设应变仪，就能监测到地层介质在构造应力作用下的应变变化过程。 因此，在大地震的震源及临近地区（ 约 100 公里半径）有钻孔应变观测仪器，发现大地震孕震过程中的应变变化就有其必然性。 姑咱台的记录数据中包含了大量信息，与汶川地震孕震过程有关的信息正在被逐步认识。 从汶川大地震应变前兆时空特点看大地震预测 审慎乐观 的前景 我国 数字地震观测网络工程，有 40 台分量钻孔应变仪、 60 多台钻孔体应变仪。在一百多台钻孔应变仪中，只有离汶川震中最近的姑咱台记录到了明显的应变前兆异常，表明大地震应变前兆确实有近距性或定域性。― 明显的强震前兆异常只发生在震中及其附近地区，稍远处的仪器就记录不到应变异常；反之，只要在强震震源或临近地区布设有观测仪器，就能观测到强震孕育的应变变化过程。 单台仪器监测的区域面积小，全国就要布设大量仪器。这看似缺点，其实是个优点。前兆观测方法若是对数千公里远处发生的大地震有反映，全球每年发生约 20 次 7 级以上地震，长程响应仪器就会经常处于异常状态，缺乏正常背景，全国许多地区会经常处于紧张状态。而定域性的前兆仪器则只对有异常的局部地区发出警示信号，无异常时，还能对本地区报平安。 姑咱台记录到的汶川地震应变前兆在震前 13 个月就出现，表明大地震应变前兆具有相当长时间提前量。相应地，就会有较长的应急处理时间。 现有应变观测网密度很稀，汶川大地震只有姑咱一个台接收到应变前兆信号。在一个密度较高的台网中，就会有多套仪器同时接收到 同步的应变变化，就能圈出震源区以确定地点和震级。非常可惜的是，计划要布设的更接近震中的松潘台因地层岩性太软，仪器未能装成。 姑咱台探测到了汶川大地震清晰的、长时间的应变前兆，为大地震的预测提供了新思路和新方法。这一认识的得来是付出了血的代价的！ 从唐山到汶川，地震预测虽然又一次遭遇挫折，但这 30 多年来，地震预测观测技术取得了巨大进展。我们正是在观测技术巨大进展的基础上，发现了汶川地震的应变前兆。 加紧在全国布设钻孔应变密集观测网络，处于困境中的大地震预测难题将逐渐得以破解。大地震预测审慎乐观的前景已 展现在我们面前。 （作者系中国地震学会地震观测技术专业委员会委员） 参考文献： 陈运泰，地震预测要知难而进 ． 求是， 2008 （ 15 ） . 吴忠良、张东宁、张国民， 地震预测试验场的回顾与展望 ． 东北地震研究， 2001 （ 2 ） . 1 ～ 7 ． 张宝红，美国的板块边界观测 (PBO) 计划 ．大地测量与地球动力学， 2004(3) ： 105 ～ 108 ． 李四光，论地震 . 北京：地质出版社， 1977 ． 池顺良、武红岭、骆鸣津 . 钻孔应变观测中潮汐因子离散性与各向异性原因探讨 . 地球物理学进展 ,2007,22(6):1146-1753. 邱泽华，等．四分量钻孔应变观测的实地相对标定 ．大地测量与地球动力学， 25(1) ： 118 ～ 122 ， 2005. 邱泽华、 唐磊、周龙寿、 阚 宝祥 ， 2008 年 汶川 8.0 级地震前分量式钻孔应变仪台网观测的变化 ， 汶川 8.0 级地震地壳动力学研究专辑（中国地震局地壳应力研究所编） ．北京：地震出版社， 2009 年 5 月 . 389 ～ 402 ． 邱泽华、周龙寿， 用超限率分析法研究汶川地震的前兆应变变化 ．大地测量与地球动力学， 29(4) ： 1 ～ 5 ， 2009. Qiu Z H ， et al. On the cause of ground stress tensile pulses observed before the 1976 Tangshan earthquake ． Bull.Seism.Soc.Am.,1998,88:989-994. 金日光， 地震前兆识别与地震灾害预警 ．武汉：中国地质大学出版社 ， 123 ～ 176 ， 2009. 李茂玮， 乌恰 7.4 级地震的土层应力前兆 ．内陆地震， 1(1) ， 77 ～ 83 ， 1987. 此文已在《科学时报》 2010-03-23 登载
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[转载]汶川地震研究发现可信前兆异常前后
池顺良 2010-2-1 08:39
汶川地震研究发现可信前兆异常前后 《科学时报》 (2010-2-1 A1 要闻 ) □本报记者 张巧玲 5 12 汶川地震让十几亿中国人沉浸在失去同胞的痛苦中。时隔一年半，伤痛仍未抚平，新的痛苦又开始在海地上演。地震灾害一再侵袭人们的正常生活，让大批无辜的生命消失在地震废墟中。人们在悲痛之余，不禁又将汶川地震时争论不休的话题再次提起：地震真的不能预报吗？ 近日，中国地震局地壳应力研究所研究员邱泽华在其博客上发表了一篇博文《我们应该能预报大地震》。邱泽华为何能出此惊人之语？带着好奇心，记者走访了相关人士。 实证研究：汶川地震有可信前兆异常 在众多科学家认为地震不可预报或者从目前来看预报的可能性很小时，邱泽华从 2009 年 2 月到今年 1 月 14 日在其博客中发表了 20 多篇关于地震预报的博文。今年 1 月 14 日，他更是直接发表博文称，我内心深处有这样的信念：我们应该能预报大地震 邱泽华说：这种信念来自唐山地震的观测资料，来自乌恰地震的观测资料，更来自汶川地震的观测资料。从这些观测资料中，我们已看到大地震的应力应变前兆异常变化。只要再观测到类似的变化，我们就有理由提出预报。 1976 年，唐山地震前震中地区、坐落在断裂带上的两个钻孔应力台陡河钻孔应力台和赵各庄钻孔应力台，观测到互相可比的、与地面形变数据配套的异常应力变化，邱泽华由此认为，大地震震中地区钻孔应变仪可以观测到地震前的前兆变化，并据此撰文，于 1992 年在《中国地震》上发表； 1998 年，他又在《美国地震学会会刊》上发表英文论文。 然而，由于当时的观测仪器很简单，分辨率很低，也无法标定，只能看出曲线的变化，无法说明曲线变化幅度的大小。邱泽华也无法进行更深入的研究，他的这些研究并没有引起太多的关注。 十五期间，我国的钻孔应变观测台网得到迅速发展，中国地震学会地震观测技术专业委员会委员池顺良研制的四分量钻孔应变仪在全国布设了 40 套。然而，令人遗憾的是，所有钻孔应变观测点都距离汶川地震的震中区相当远，使用常规的分析方法根本识别不出明显、可靠的前兆信号。 5 12 汶川地震爆发前，池顺良便观测到位于四川省康定县境内姑咱台的钻孔应变仪连续一年多出现频繁的周期为分钟或小时的脉冲变化，因为这些变化精确地满足观测数据自检条件，池顺良认为这是一种地震前兆异常。这一提法在震后再一次引发了地震界对大地震能不能成功预报的争论，争论的焦点是汶川地震之前到底有没有异常信号？姑咱台观测的脉冲变化是否是可靠的汶川地震前兆信号？如何进行定量的描述？有无地震预报的参考价值？ 在汶川地震过后的一年半中，姑咱台的钻孔应变观测数据又慢慢开始恢复正常，脉冲、毛刺和畸变又逐渐消逝，固体潮曲线又开始恢复正常。据此，池顺良认为，地震就是地壳岩层中弹性应变能的释放，地层应变是把握地震孕育过程最直接的观测量。我国钻孔应变观测台网第一次在一个观测点上捕捉到了一次特大地震近场应变经历平稳紊乱恢复平稳变化的完整过程。这在国际上也是第一次。 对有关争论，邱泽华没有立即作出自己的结论，而是对池顺良所说的毛刺异常进行了详细研究，在震后用常规方法无法看出明显异常的情况下，他带领研究组的其他研究人员尝试着用新的方法重新处理数据。 2009 年，邱泽华等研究人员在 2009 年第四期的《大地测量与地球动力学》上发表论文《用超限率分析法研究汶川地震的前兆应变变化》。 我们最终基本确认汶川地震前姑咱台钻孔应变仪观测到的频繁的脉冲变化，是地震前兆信号，姑咱台观测到的地震前兆异常变化与岩石破裂前的声发射现象有可比性，可能反映了地震前小尺度的岩层破裂。简而言之，我们终于发现了汶川地震的可信的前兆异常，邱泽华说。 而另一发现也给邱泽华的信心添分。邱泽华近来在由新疆地震局主办的《内陆地震》找到了一篇关于 1985 年发生的乌恰地震的文章。 1985 年 8 月 23 日，乌恰爆发 7.1 级地震，距离震中仅 30 公里、位于地震断裂上的喀什观测台捕获到了乌恰地震前的异常信息。其基本特征同样是逐渐增强的脉冲变化。 只要再观测到类似的变化，我们就有理由提出预报。邱泽华认为。 大地震预测：审慎而乐观 尽管关于姑咱台观测到的脉冲变化是不是可靠的汶川地震前兆信号至今仍有争议，但已有越来越多的专家在研究这一现象。 据悉，汶川地震后，我国材料科学与工程技术领域著名专家金日光教授受材料断裂力学启发，根据地壳断裂流变动力学和群子统计力学，对中国地震台网中心提供的钻孔应变、重力、倾斜等观测数据进行了细致处理和识别分析，也得出了姑咱台的应变数据反映了汶川地震孕震过程的结论，并且发现汶川地震的孕震过程和临震前兆在全国 30 多个钻孔应变台站中的十几个台站上都有明显反映，并在此研究基础上撰写出版了 80 多万字的学术专著《地震前兆识别与地震灾害预警地壳断裂流变动力学的形成与应用》。 地震是否有前兆是一个问题，这些前兆能否帮助人们预测地震则是另一个问题。姑咱台记录到的这种应变前兆只是个例。有没有普遍性，或者说，这种应变前兆是否是确定性地震前兆呢？ 池顺良认为，从统计学观点来看，如果想回答这个问题，需要经历多次大地震的检验，才能从统计上得出结论。经历了唐山、汶川惨剧，我们不能再听任破坏性大地震施虐，靠一次次的惨剧来扩大统计样本。必须充分利用 40 年宝贵的实践资料及数据，对地震过程进行科学认识，用科学分析来解答这一问题。池顺良说，姑咱台的记录数据中包含了大量信息，与汶川地震孕震过程有关的信息正在被逐步认识。 池顺良认为，这种应变异常具有近距性（或定域性），只出现在邻近大地震震中地区，地震三要素中的地点、震级两个要素就有了线索。因此，只要台网布设密度适当，大地震前人们就能获得预警信号。 邱泽华也认为，姑咱台探测到了汶川大地震清晰的、长时间的应变前兆，为大地震的预测提供了新思路和新方法，这一方法对于解决 7 级以上的大地震的预报问题有重要的借鉴意义。 中国工程院院士许绍燮在接受《科学时报》采访时也表示，池顺良与邱泽华的工作是地震预报工作的一个重要进展，对于利用应用应变方法来研究地震预报问题是一个值得深入研究的新方法。许绍燮同时指出，就此认为地震预报就取得突破为时过早，尤其将地震的实质和核心问题归于地应力的变化的说法把地震问题总结得过于简单。 汶川地震之后，之所以越来越多的人认为地震预报仍无法突破，正是因为人们对地震问题依然没有研究透彻。不过，许绍燮相信，随着人们对地震认识的加深，地震预报的难题终有一天会迎刃而解。 关键在于精确的观测 预报的基础是地震前兆，而地震前兆的基础是精确的观测。邱泽华说。邱泽华认为，在分析地震前兆的涵义、提炼地震前兆的判据过程中，要确定一个难得的地震前兆异常需要多方面的保障：为了有正常背景，观测必须连续、稳定，并且观测点要足够多；为了排除干扰影响，必须有相关的辅助观测，并且了解观测点周围的环境变化；为了揭示与地震的相关性，要增加观测点、合理布局，并提高观测的采样率，等等。 分量钻孔应变仪就是李四光倡导的地应力仪。 1985 年，我国四种钻孔应变仪通过国家鉴定。关于钻孔应变观测技术，我国具有充分的自主知识产权，技术上处于前沿水平。邱泽华从日本东京大学地震研究所留学回国后， 2000 年起开始负责地壳应力研究所的钻孔应力应变观测。而此时，所有观测站的仪器已很落后，只有十几个台站在观测，当时的说法是让其自生自灭。邱泽华回忆说，其中一个主要问题是，钻孔应力应变观测的到底是什么东西，说是观测应力，实际上可能有各种干扰，无法分辨。 2000 年，美国启动了大的观测计划板块边界观测（ PBO ）项目，他们采用了三种观测手段：地震仪、 GPS 和钻孔应变仪。邱泽华获悉这个消息后，多方宣传，得到研究所领导和其博导、中国科学院研究生院石耀霖院士的支持，在十五计划制定过程中，积极向中国地震局呼吁钻孔应变应力观测的重要性。 2004 年，我国数字地震观测网络工程启动，决定在全国布设分量钻孔应变仪。到 2007 年底， 40 套国产四分量钻孔应变仪在全国布设完成。观测点设备包括四分量应变探头、水位气压辅助观测探头、采集控制机箱、网络传输电路、全隔离供电电源、信号输出隔离光纤等。实现了全自动无人值守、网络传输数据、台网中心自动调集全国数据等新技术，数据采样率为每分钟一次，整体技术达到国际先进水平。 历史地看问题，以往轻视地震前兆研究与观测水平的低下有直接关系。邱泽华认为，在低分辨率、低采样率、无辅助观测、无对比观测的条件下，研究人员得到的信息非常有限，无法对可能的观测异常进行深入的分析和研究，只能停留在看曲线、识异常的状态。近几年，中国的前兆观测实现了数字化，产生出一些比较连续、稳定的高精度、高采样率的观测资料。正是由于这种观测技术的进步，才使研究人员终于发现了比较可靠的、以往无法提取的汶川地震的前兆异常信号。 然而遗憾的是，我国的观测点仍然太少，并且分布不够合理，特别是在台网设计上缺乏科学的整体思路。在提出应加紧在全国布设钻孔应变密集观测网的同时，邱泽华提出：应沿主要地震断裂带布设观测站点，不过从现实出发，不可能建太多观测点，在监测区域划定上可以综合考虑历史强震多发和人口设施稠密两方面因素，并保证未来强震发生区（断层破裂带或余震分布区）内至少有一个观测点。 根据以往积累的震例观测资料，在观测点正常运行的前提下，这种布网是可能对强震作出有效预报的。邱泽华认为。
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地下空间和采空区管理的几个新技术
edward3 2009-7-20 12:17
学习澳大利亚岩土工程中心（ACG,Australian Centre for Geomechanics）的采空区管理技术过程中，体会到地下空间和采空区管理需要一个多方位的解决方案。可行的具体技术如下： 1.深孔多点位移计； 2.深孔三轴钻孔应力计； 3.高精度微震监测； 4.地下采空区激光测绘三维可视化技术； 5.近景摄影测量采空区地面三维可视化技术； 6.采空区的地面雷达与卫星雷达遥感测量技术； 7.采空区膏体回填成套技术等。 8.多功能电法、地震勘探等地球物理方法在采空区的应用。
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岩爆监测预警的几个新技术简介
edward3 2009-7-20 11:51
学习澳大利亚岩土工程中心的岩爆监测预警技术过程中，体会到岩爆监测预警目前比较可行的解决方案应该多技术集成。可行的具体技术如下： 1.地应力测试：空心包体； 2.隧道围岩结构参数快速采集：三维摄影测量与岩体结构分析； 3.隧道围岩三维应力场变化：高精度三轴钻孔应变仪； 4.无源与有源微震高精度监测；岩爆是特殊的地震，运用定量地震学和工程地震学实现岩爆的监测与预警； 5.现场岩石物理力学参数快速测试、钻孔电视等； 6.岩爆风险管理软件和岩爆治理技术。
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钻孔应变观测中潮汐因子离散性与各向异性原因探讨——“十五" 数字地震观测网络分量钻孔应变仪首批观测资料分析解释
池顺良 2009-2-8 22:24
钻孔应变观测中潮汐因子离散性与各向异性原因探讨 十五 数字地震观测网络分量钻孔应变仪首批观测资料分析解释 池顺良1， 武红岭2， 骆鸣津3 (1．鹤壁市地震局，鹤壁458000；2．中国地质科学院地质力学研究所，北京100085； 3．河南省地震局，郑州450000) 摘要: 中国数字地震观测网络十五计划期间，在全国布设约40台我国自主研发的YRY一4型分量式钻孔应变仪．现已取得一批固体潮观测数据，计算M2波潮汐因子的结果表明，潮汐因子的相对精度最高达到了0．001．在此基础上，发现各观测点潮汐响应(潮汐因子)与理论模型比较有很大的离散性及有规律的方位各向异性．本文提出断层隔离是造成各台站潮汐因子偏离理论值及方位各向异性的主要原因．有限元断层地块模型应变方位响应与台站实测方位响应的一致，支持了这一观点．潮汐响应各向异性现象有望在地质构造研究、城市断层探测、地块活动微动态、地震烈度区划等研究领域发挥作用．也可为GPS等空间大地测量观测数据改进潮汐位移修正，提供参考． 关键词: 钻孔应变，应变固体潮，潮汐因子，方位各向异性 中图分类号P315 文献标识码A 文章编号1004-2903(2007)06-1746-08 收稿日期2007-07-10； 修回日期2007-09-20． 作者简介池顺良，男，1940年生，上海市人，1963年上海同济大学毕业．中国科学院测量与地球物理研究所客座研究员，中国地震学会地震观测技术专业委员会委员，地震学报编委．长期从事地震观测技术和大地构造成因研究，目前从事多分量钻孔应变仪的全国布网工作．( E-mail：chisl@263.net )
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