關于“可操作性地震預報:有關‘為什么’和‘怎么辦’的幾點思考”的另一種見解＊

Stuart Crampin

(B ritish Geological Survey,M urchison House,Westm ains Road,Edinburgh EH9 3LA,U.K.)

關于“可操作性地震預報:有關‘為什么’和‘怎么辦’的幾點思考”的另一種見解＊

Stuart Crampin

(B ritish Geological Survey,M urchison House,Westm ains Road,Edinburgh EH9 3LA,U.K.)

2009年4月6日,意大利拉奎拉(L’Aquila)發生MW6.3地震,造成意大利中部308人死亡。地震后,意大利政府召集了一次國際地震預報委員會(ICEF)會議。在近期出版的《地震研究快報》(Seismological Research Letters)“見解”欄目中,Thomas H Jordan和Lucilem Jones[1]對該委員會有關可操作性地震預報的結論與建議進行了討論(見《國際地震動態》2010年第10期譯文:可操作性地震預報:有關“為什么”和“怎么辦”的幾點思考——譯者注)。“可操作性地震預報的目標就是向公眾提供地震危險性信息,用于在潛在破壞性地震來臨之前作出決策”,在此,“有效利用概率預測所面臨的一個頗具挑戰性的突出問題就是將概率預測轉化為低概率環境下的決策”(ICEF報告摘要,文獻[2])。

ICEF報告的言下之意就是地震不能明確預測,因此,可能做到的只是概率地震(低概率)預測。本文對此提出了“另一種見解”,并討論了對流體-巖石變形的新認識,這種新認識可以為確定性地震“應力預測”提供機會,從而排除了“頗具挑戰性的突出問題”。確定性預測的確可以在高概率環境下進行,這一點改變了ICEF報告中所強調的觀點。

1 流體-巖石變形監測與地震應力預測

剪切波分裂(地震雙折射)能夠反映沿射線路徑隨應力分布定向排列、充滿液體的微裂隙形狀。充滿液體的微裂隙容易受環境變化的影響,以致巖石抗剪切能力較弱。因此,所有大地震前必然的應力積累肯定會在巨大的巖石體積(必定相當于板塊體積,也可能相當于地球體積)中逐步增大[3]。對流體-巖石變形的新認識[4-6]就是,可以通過分析即將來臨的地震的震源區周圍大體積中的剪切波分裂來對大震前的應力積累進行監測。利用持續發生的小震群上方記錄到的剪切波,已經觀測到了大(或較大)地震前的應力變化,從而“回顧性預測了”即將來臨的地震的時間和震級,在某些情況下還可能預測其地點。這種回顧性預測的實例有15個,另外還有1個由在線數據分析得到的實時應力預測的成功實例(這一過程被稱為地震應力預測,而不是地震預測或地震預報,以強調所采用的形式不同)。無一例外:只要有適當的震源-檢波器剪切波記錄,就會觀測到大震前廣泛分布的應力積累。

表1匯總了有關流體-巖石變形新認識的證據。應力積累監測中有兩個關鍵的現象:

(1)原地巖石的最具依從性的成分就是存在于地殼的大部分巖石中隨應力分布定向排列并充滿液體的微裂隙。應力變化可以改變微裂隙形狀,而通過剪切波分裂的變化可以監測到應力變化。廣泛的剪切波分裂觀測結果顯示,這種隨應力分布定向排列的微裂隙遍布地殼內幾乎所有的火成巖、變質巖和沉積巖。

(2)剪切波分裂的延遲時間(Δt)對于沿射線路徑的微裂隙形狀的低水平變化非常敏感。因此,地震前低水平應力變化可以通過分析剪切波分裂變化來監測。

表2匯總了地震前的應力變化行為。隨著應力的積累,微裂隙幾何狀態在失去抗剪強度的地方趨近破裂臨界水平,微裂隙開始向最終斷層破裂處聚結[6]。逐步增大的應力積累突然停止。此時便出現應力松弛,延遲時間減小,直至即將來臨的地震發生——無論其震級如何,地震都發生在特征應力水平很低(2～4m Pa)的情況下。正如預期,應力積累增大和裂隙貫通減小的天數中持續時間的對數各自都與地震震級成正比(自相似)。

表1 流體-巖石變形新認識的證據匯總＊

流體-巖石變形的這一新認識(表1)對于地震前應力變化監測(表2)有著重要的啟示意義,因而對于ICEF報告中的可操作性地震預報[1-2]也有著重要的啟示意義。應該注意的是,這一新認識產生的時間比較短,還沒有被普遍接受,但表1中匯總的證據卻是不容置疑的。遺憾的是,許多地球科學家不愿接受表1中所列證據的含義,即地殼是一個具有依從性的、裂隙誘導的臨界系統,這一臨界系統蘊含著表1中所列的全新特性。

2 剪切波分裂(SWS)與微裂隙臨界系統

地震學是探測地球的地下狀況的調研工具,地震學研究大都利用地震P波來進行分析。隨應力分布定向排列、充滿液體的微裂隙無處不在,這種微裂隙之所以沒有被及早認可,原因是P波對定向排列并充滿液體的微裂隙不太敏感(雖然它對許多現象都很敏感),但相比之下,SWS的延遲時間和偏振完全受控于微裂隙幾何形狀。因此,由于微裂隙幾何形狀對原地應力敏感,所以剪切波分裂監測的就是地震前應力誘發的微裂隙幾何形狀的變化(表2)。

表2 地震前的應力變化行為總匯

表3簡要列出了觀察和測定SWS所需的特殊條件。當這些條件都得到滿足的時候,可以普遍觀測到隨應力分布定向排列的SWS(測定SWS是非常困難的事情,這無疑就是對流體-巖石變形的新認識接受得較慢的原因)。觀測到的SWS表明,在幾乎所有的火成巖、變質巖和沉積巖中隨應力分布定向排列、充滿液體的微裂隙非常密集,以至于瀕于破裂,因此可稱其為臨界系統[5-6]。臨界系統(也被稱為復雜系統[7])是物理學中的一個新興學科,因而也是地球物理學中的一個新興學科[4],它給從前的亞臨界物理學(和地球物理學)賦予了許多全新的特性。這些特性包括:可監測性、可計算性、可預測性、甚至在某些情況下的可控性、普適性,以及對初始條件的極度(“蝴蝶效應”)敏感性[7-8]。在地殼中已經識別出這些新特性的實例[5-6],這些實例對于應力積累模式、震源狀態、地震應力預測以及ICEF報告而言都有著深刻的含義。

表3 觀察和測定剪切波分裂所需的條件

促成極度敏感性的一個重要因素是,剪切波分裂是剪切波特性隨方向的變化而產生邊際變異的一個二階現象。然而,如果旋轉三分量地震記錄,使其產生首選的剪切波分裂偏振,那么剪切波波至即被分離,我們也可以頻繁讀取分裂剪切波之間一階精度的波至時間和延遲時間(Δt)數據。讀取到一個擁有一階精度的二階量就可以達到前所未有的精度水平——遠遠高于大多數地震觀測水平。

3 變化條件下微裂隙的演化

微裂隙幾何形狀隨應力變化的演化可根據裂隙巖體演化的各向異性孔隙彈性(APE)理論來進行模擬(見文獻[6]中的評述)。A PE模擬適合地震學研究和地震勘探中約20種不同的現象和不計其數的震源-接收器射線路徑。充滿液體的微裂隙臨界系統隱含于成功的APE模擬之中。

臨界系統極其常見,它包括天氣、地震的發生(由古登堡-里克特線性關系表示)、紐約證券交易所、果蠅的生命周期,以及從量子力學到恒星輻射等各種各樣的物理現象。所有復雜的異構、交互系統都是臨界系統,那么具有典型的復雜、異構、交互現象特征的地球必定是一個賦予傳統的亞臨界地球物理學以全新特性的臨界系統。

4 地震防備

過去的地震分析大都聚焦在震源區,或許這是可以理解的。線性的古登堡-里克特關系表明地震是臨界現象。這就意味著,雖然通過調整輸入參數可以對地震機制進行非常精確的模擬,但這種模擬是不可重復的,因為它關鍵取決于這些輸入參數的細微差別。因此,對地震事件不可能進行可靠的或重復性的模擬。然而,所有大地震前都有一個特征現象,即需要積累大量的應力以供地震中釋放。由于巖石抗剪切能力較弱,所以這種應力必須在巨大的原地巖石體積中積聚。因此,應力積累可由Δt的變化來監測,這些變化可發生在震源周圍巨大的受力巖體中的幾乎任何地方[6]。

除了每天兩次海洋潮和固體潮的變化之外,構造應力的變化主要源自交互俯沖過程、巖漿的生成和構造板塊邊界處的轉換斷層作用。表2概括了大震前的應力演化狀況。

由應力誘發的這些SWS變化不是通常字面意義上的地震前兆。它們監測的是原地巖石上應力積累和應力松弛的基本過程,這些過程也就是引發地震的潛在機制[6]。

5 對意大利可操作性地震預報的啟示

ICEF報告中一個潛在的假設就是可操作性地震預報將在“低概率環境”下開展[2]。本文所提出的另一種見解表明,如果有適當的剪切波應力監測臺站,那么根據應力變化對時間、震級、(在某些情況下)甚至地點所作的預測可以達到高概率水平。由此便將可操作性地震預報從低概率環境轉變為高概率環境。在某些情況下,這種預測會減少警報次數并降低隨之而來的減災費用;其他情況下,它還可以為警報提供正當理由,并證明有必要為采取預防措施付出成本。

遺憾的是,適合用作剪切波的應力測定臺站的持續性小震群非常罕見。惟有在冰島,大西洋中脊的轉換斷層延伸至陸上,所以這里可以提供由一個一流地震臺網記錄到的可利用的持續性地震活動。因此,對SWS的最新認識大都源自對來自冰島的地震數據的分析[5-6]。

冰島以外的常規應力預測通常需要在三井孔應力監測點(SM S)對近地表風化和應力釋放異常區下方剪切波的受控震源進行測定[9]。一個最理想的SM S可能會包含一個應力導向的井孔等腰三角形,井孔偏移距在200～300m之間,孔源深度為1000m,它以適當的入射角度向深度在1000～1700m之間的一連串井中檢波器傳遞剪切波。沿這些射線路徑的SWSΔt對裂隙縱橫比特別敏感,因而對構造應力變化也特別敏感。

冰島北部的典型SM S對兩個井孔之間500m深度處水平傳播的SWS進行記錄,兩井孔的偏移距為350m。在兩周的實驗中,剪切波源,即井下軌道式振動器(DOV)[10],以每分鐘2～4次的速率產生4萬次脈動,但不會改變波形或損壞井壁[8]。震源-接收器的幾何條件并不是最理想的,但記錄卻顯示出對地震誘發應力變化的極度敏感性,這些應力變化與發生在70 km以外的鄰近轉換斷層上的低水平地震活動相關,其能量相當于一次M=～3.5地震[8]。這種敏感性出現在數百倍于常規震源規模的距離之外,說明隨應力分布定向排列、充滿液體的微裂隙臨界系統表現出了我們所預期的極高度敏感性。假定在所有地震的震源處都能觀測到類似的應力-能量聚集,那么監測點SM S就可以根據應力變化預測距離最遠可達1000 km的一次M=5地震,并且還可以預測板塊內任何地方發生的更大震級的地震[3]。

這就意味著,意大利中部(比如說拉奎拉附近)一個單一的三井孔應力監測點SMS與意大利任何地方(包括西西里島)相距不能超過～600 km,而且原則上能夠識別出應力積累,并對意大利境內所有M≥5地震和SM S附近的小地震事件作出應力預測。在距離為600 km的情況下,一次M=5地震事件的SM S信號往往會很嘈雜,此時,最可取的方案可能就是有兩三個等距離的三井孔SM S監測站縱貫于意大利下方。

在一個三井孔SMS觀測到的應力積累和裂隙貫通可能會由延遲時間的增大和減小反映出即將來臨地震的震級,并由應力積累達到破裂臨界狀態的水平反映出地震發生的時間。就目前我們對這一現象的認識而言,單一的SM S觀測結果尚不能表明即將來臨的地震事件的地點(斷層破裂位置)。SM S臺陣(如文獻[11]所述)可能會提供震中或破裂位置的某些跡象。總之,要知道一次大地震正在迫近就必須對其他前兆現象作出切合實際的解釋。因此,冰島那次成功應力預測的M=5地震的斷層破裂位置[12-13]就是根據6個月前一次M=5.1地震斷層面上的持續地震活動估算出來的。

本文的結論是,一個或多個三井孔應力監測點或許可以根據應力變化來預測意大利所有破壞性地震(比如M≥5地震)的時間、震級,抑或破裂位置,并提供高概率——而不是低概率——環境下的可操作性地震預報。

譯自:Seismological Research Letters,March/April 2011,Vol.82:227-230

原題:A second opinion on“Operational earthquake forecasting:Some thoughts on why and how,”by Thomas H.Jordan and Lucilem.Jones

(中國地震局地球物理研究所 左玉玲 譯)

(譯者電子信箱,左玉玲:yulingzuo@yahoo.com.cn)

[1]Jordan T H,Jones Lm.Operational earthquake forecasting:Some thoughts on why and how.Seismological Research Letters,2010,81(4):571–574

[2]Jo rdan T H,Chen Y-T,Gasparini P,et al.Operational Earthquake Fo recasting:State of Know ledge and Guidelines for Implementation.Findings and Recommendations of the International Commission on Earthquake Forecasting for Civil Protection,released by the Dipartimento della Protezione Civile,Rome,Italy,2 October 2009

[3]Crampin S,Gao Y.Plate-wide deformation before the Sumatra-Andaman earthquake.Submitted to Pure&App lied Geophysics,2010

[4]Crampin S.The New Geophysics:A new understanding of fluid-rock deformation.In Eurock 2006:Mul-tiphysics coupling and long term behaviour in rock mechanics,ed.A Van Cotthem et al.,2006,539-544.London:Taylor&Francis

[5]Crampin S,Peacock S.A review of shear-wave splitting in the compliant crack-critical anisotropic Earth.Wave motion,2005,41:59-77

[6]Crampin S,Peacock S.A review of the current understanding of shear-wave splitting and common fallacies in interpretation.Wave motion,2008,45:675-722

[7]Davies P.The New Physics:A synthesis.In The New Physics,ed.P Davies,1-6.Cambridge:Cambridge University Press,1989

[8]Crampin S,Chastin S,Gao Y.Shear-wave splitting in a critical crust:Ⅲ——preliminary report of multivariable measurements in active tectonics.Journal of Applied Geophysics,2003,54,special issue 265-277

[9]Crampin S.Developing stress-monitoring sites using cross-hole seismology to stress-forecast the times and magnitudes of future earthquakes.Tectono physics,2001,338:233-245(note updated geometry in online version)

[10]Leary P C,Walter L A.Physical model for the do wnhole orbital vibrato r(DOV)——I.Acoustic and borehole seismic radiation.Geophysical Journal International,2005,163:647-662

[11]Crampin S,Zatsepin S V,Browitt C W A,et al.GEMS:The Opportunity for Stress-forecasting A ll Damaging Earthquakes World wide.Edinburgh Anisotropy Project,research report,2010,17,D4-1—D4-11

[12]Crampin S,Volti T,Stefansson R.A successful stress-forecast earthquake.Geophysical Journal International,1999,138:F1-F5

[13]Crampin S,Gao Y,Peacock S.Stress-forecasting(not predicting)earthquakes:A paradigm shift?Geology,2008,36:427-430

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D;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.08.005

2011-07-28。