从汶川地震失报 探讨地震预报的科学思路

赵文津

2009年05月11日10:44  来源:中国科学报

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从汶川地震失报 探讨地震预报的科学思路
  我国是个大地震多发的国家,地震对我国经济社会建设造成极大的破坏,给人民生命财产造成巨大损失。近百年来先后发生了十多次大地震:1920年海原大地震死了24万人,1976年唐山大地震死伤40多万人,这次汶川大地震死了6万~7万人,失踪1.8万人,伤了37万多人,经济损失8451亿元,损失触目惊心。防震减灾是我国面临的最紧迫的课题。但是短临地震预报又是一个世界性的难题,迄今尚未找到有效的解决办法。

  在2008年的两院院士大会上,胡锦涛代表党和国家提出:“我们必须把自然灾害预测预报、防灾减灾工作作为关系经济社会发展全局的一项重大工作抓紧抓好”,“一是要加强自然灾害孕育、发生、发展、演变、时空分布等规律和致灾机理的研究,为科学预测和预防自然灾害提供理论依据……”

  当前国内地震形势是严峻而紧迫的,东南西北都曾发生4~6级地震,很可能会在汶川之外的地区突然爆发六七级以上的大地震。需要立即紧急动员起来,捕捉战机,边研究边预报;另一方面应当再深入总结探讨一下过去的工作经验(不仅是科技方面)、地震预报如何进、中国如何进一步改善地震预报工作等。

  汶川大震后

  地震向哪里转移?

  汶川主震发生后,余震或下一个大地震会在哪里发生?这是两个相互关联的地震预报问题,但并不相同。前者是汶川地震直接引发的;后者则是在区域应力场作用下,由于大地震发生后地壳应力大调整,在其他地点发生新地震的预测。关于余震预测,现有四种提法。

  第一,按照这次汶川大震的归类,认为它是“主震余震型”,主震过后,余震可能沿龙门山构造带传递,向北东活动,不会有大震;为什么地震破裂沿龙门山向东北方向发展,被认为是地震的不对称性所致。

  第二,根据龙门山构造带上闭锁段的长短作推测,西南闭锁段长,东北闭锁段短,冲破长闭锁段就需要大的应变能,即要有大震发生;这种说法,没有论及下一次地震发生在长闭锁段的道理。

  第三,T.Parsons等人提出,利用模型计算研究汶川地震触发后相邻断裂带上库伦破坏应力的变化,根据a、b等各断层应力增加来推测哪个断层可能成为下一个发震地点。

  第四,钱复业、赵玉林用HRT(潮汐谐振共振波)、李均之用次声波测震法、沈宗丕用磁暴月相二倍法、耿庆国用磁暴组合法等方法预报了多次余震。

  显然,第一种提法是凭借统计经验推测的;第二种提法是按照“打通”发震断裂带闭锁段所需要的能量考虑的;第三种提法是根据地震引起的有关断裂库仑破坏应力的再分配情况所作的推测。只计算地震发生后引起的库仑应力变化是不够的,因为发不发生地震与总的应力有关,而不只是与库仑应力变化有关。

  钱复业等多种预报方法成功率很高,应予重视研究。笔者现在还未弄明白这些异常性质与发震之间的关联性。此外,还有人提出是岩层因地下气体渗入引起岩石抗压强度减小造成岩层的破裂而发生地震;还有人提出,是地下烃类气体发生爆炸而引起地震;还有人认为广元地区有一个巨型陨石引起地壳的不平衡而产生地震。思想很活跃。

  如何预报下一个应力集中地点,马宗晋曾以华北为例,用光弹模拟方法试验得到华北地区地应力分布图(见A3版),可以作为应力集中点转移之例。图Ⅰ中D点应力加强,发生地震后,应变能得到释放,于是应力转向图Ⅱ中的A点;随后A点应力逐渐加强、相对集中,见图Ⅲ、图Ⅳ;在图Ⅴ中表示A点发生地震后,应变能得以释放,如一次未放完,则可以通过余震方式再释放;与此同时,B点和C点应力又开始集中。他以此解释地应力的转移现象,同时强调目前还未能找到震前必然出现的必震信息。有前兆而没有地震的情况还是很多的。

  为此,笔者设想可以探讨以下四种做法。

  一是研究在一个地点发生大地震后,区域地下构造应力场就会发生调整,可以从构造体系整体思考应力和应变的迁移规律,以预测地壳发生地震的危险地段;二是及时在野外追踪地应力的变化,找到应力集中地点,以期验证上述推论;三是利用地下应力应变能集中过程伴随产生的物理、化学、生物等现象,探测地震危险地段,以与推论相互验证;四是在一些地震带建立起构造体系模拟系统,长期试验,长期积累,不断修正。已有多人试过构造体系模拟的多种方案,笔者推荐多注意陈立德、付虹的做法。

  陈立德、付虹在《地震预报基础与实践》一书中以南北地震带的中北部(北纬34.0°~38.5°,东经98.0°~106°)为研究区的对象。取介质厚20千米,不另分层。将介质分为断裂带内(弹塑性体)与断裂带外(弹性体)的两类介质,后者不发生破裂。分别赋予不同的弹性模量、泊松比和密度。将全区划分成482个六面体,984个节点,各节点在20千米深处无位移。设边界作用力为36Mpa,方向是N43°E。计算求得共和7.0级地震前,共和地震后景泰6.2级地震前平面剪应力情况。符合甚好。在共和震后景泰地区剪应力增加突出,可以引起人们的警觉。这一模型是加了外力的。

  通过不断改进参数选取和改进模型,有可能摸索出适宜一个地区的构造模拟方案,并可能成为地震预报的基础或是地震预报的“沙盘”。

  国家地震局总结多年中国地震活动的规律是,中国四周有四个“触角”——台湾、东北珲春、喜马拉雅东构造结及帕米尔,四个构造结有一个活动都会引发大陆内部的地震活动增强。表明这四个触角对大陆施加的外力对中国地震活动性影响大,需要格外关注,研究其与大陆内部地震的关系。

  加强地震地质调查和地应力数据的采集分析

  在总结这些经验的基础上,笔者对今后地震预报工作提出8点建议。

  第一,加强地表和深部地震地质调查。从汶川地震看,为什么松潘地震和汶川地震的地壳破裂都是从西南向东北方向发展?有人解释说是地震发展的“非对称性”,笔者认为更应从龙门山断裂带与鲜水河断裂带控制区的地下地质不均匀性找原因。这次汶川地震带还发现汶川北出现一条北西向地震带,似乎没有充分发展,它可能与马尔康附近的北西向断裂平行。这次地震有小活动,应加以关注今后会不会有大活动。

  统计显示,中国东部的震源层主要位于10千米~20千米深度,中国西部的震源层位于25千米~40千米深度(但龙门山地区和昆仑山地区也是10千米~20千米深),这些岩层应以结晶基底为主,是深变质岩带(在地下高温高压条件下应与地表所见不同)。所以,为研究震源区发生地震的机制就应当以震源层研究为主;深部地震地质调查还应查明地下的拆离层、破裂带和弱化带,以及刚性块体和断裂带中的闭锁段的分布;鉴于深部地应力的作用可能因地壳内存在的低速体、高导体而使力的作用方向发生变化,所以也要注意这方面的调查。不同地块的结构不同,受力的体系也不同,地震发生的特点也会不同。

  第二,关于地应力数据的采集和分析。邢台地震后,李四光于1967年提出观测地应力的意见后,自己亲自到邢台地震现场观测摸索经验,1968年成功地预报了河间地震。

  现在,国内有关部门对地应力的观测和分析是很不重视的,认为“人们无法取得震源区的岩石介质的性质、破坏强度、应力状态和积累速度,以及其随时间的区域演化状态……”笔者的意见,不能认为深部地应力不能测量而放弃对其进行观测和研究,应积极地开展探索研究,在一定情况下,地表浅层的地应力还是有用的。因为上地壳震源点受力,可能在上地壳内很大范围内形成应力集中区,构成一个范围较大的应力场,我们没有办法找到应力集中点,但可能测到应力增高区。

  应当重视油田深井中地应力数据的收集和应用,注意不同地区(地震地质情况不同)浅层测量结果与深部地应力的关系等。还要重视地震带的重力不均衡力的作用,如汶川地区紫坪铺水库储放几亿方水时对地震的触发等作用。

  第三,要研究地应力在地块内和地块间或构造带内各断层之间转移的规律,即在一个地点发生地震,应变能得到释放以后,地应力和地应变如何向地块内其他地段转移的规律。为此,要坚持长期开展各地区的地震构造模拟工作,不断改进模拟方案,研究地应力集中点的迁移规律,并将其作为一个基本方法。由于全球板块运动,板块之间必然有相互作用力,这一个力作用在非均质体上就会产生应力集中现象,在应力超过发震层岩石抗压强度时便会发生地震;要注意作用在发震层上的力,如潮汐共振的力,地壳内出现的局部热应力等。必须按照应力集中构造模拟的要求,对重点研究区的浅层和深层的地震地质条件的调查要细化;要加强对地下发震层及上覆岩层从蠕变到破裂过程的研究,深化对其的认识。为了及时掌握沿断裂带或薄弱带应力变化情况,有必要开展野外追踪测量,李四光当年曾建议成立野外队进行观测。

  第四,研究岩层变形及挤压破裂过程中伴生的地球物理及地球化学现象,开发其探测方法,以进行地震预报。要研究岩层受强力作用后产生的效应,设计出相应的探测方法。鉴于临震前兆都是短时间发生,所以必须是能进行大面积快速侦查的方法。温度场与电磁场可能是有前途的,如遥感测温方法、地震电磁卫星、遥感干涉雷达测地形变方法、地电阻率变化;此外,地下水位变化和动物异常也很灵敏,可能发挥很大作用。有专家提出“HRT”或“次声波”方法,建议给予重视,进一步探讨其本质,可能会是一个新技术的“生长点”。

  第五,在重点地震地区建立若干个试验区(不是局部性的试验场),把地震发生机理研究与地震监测预报工作结合起来。包括打不同深度的钻孔进行综合观测。对国内国外深钻地应力数据进行采集,建立数据库,系统收集与地震预报有关的数据,以供综合研究之用。并根据不同方法研究的需要建立一些联合观测台网。

  第六,坚持“群测群防”的方针。中国地域太大,各地区构造和动力学条件差异很大,当地群众对本区地震活动规律有切身感受,这些朴素的感受非常宝贵,是专业队伍的重要补充。对他们的工作不能轻视,更不能忽视,还应主动去做好这件事,发动地方中学老师和广大志愿者群众的参与。中国大地震吸引了一批各行各业的科技专家,自筹资金,自制仪器设备开展观测,探索地震预报问题,他们急国家人民之所急的拳拳之心,勇于探索科学难题的精神,值得尊敬。国家有关部门应予重视,并将他们组织起来,给予帮助和指导,并纳入总体规划中。

  第七,加强风险决策研究。现阶段地震预报风险性很大,但又不能不报,决策人责任大,压力大,而决策人及时作出决定又是防灾减灾的关键所在。应研究如何使领导者敢于及时作决定,敢于承担必要责任。这方面,唐山大地震预测的失败与青龙县领导的成功经验非常宝贵,应很好地加以总结,不能再讳疾忌医。

  第八,组织起来,发挥集体优势。中国的部门分隔,学科分隔现象严重,而地震预报研究则是一个大系统工程,要全国共同努力,形成国家优势,要多学科多部门集思广议,要多路探索,一家一业独搞是很难胜任的,也是最不可取的。建议国家地震局除按照自己原定规划开展工作外,也应发挥国土资源部、国家测绘局教育部、中国科学院、民政部等部门的业务专长,群策群力,共同攻关,不能再人为地将统一的地壳活动自然现象分隔开来研究,重复工作,而数据又不能共享,要多花上很多经费,成效很难提高。建议由国家地震局、国土资源部、教育部和中国科学院联合主持,成立领导小组同心同德地推进此事,请科技部国家自然科学基金委员会和发改委给予指导和支持。(作者系中国地质科学院研究员、中国工程院院士)

(责编:赵竹青)
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