低頻前驅波傳播機理的研究現狀*

張淑亮李斌呂芳

1)山西省地震局，太原030021

2)太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原030025

低頻前驅波傳播機理的研究現狀*

張淑亮1，2)李斌1，2)呂芳1，2)

1)山西省地震局，太原030021

2)太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原030025

本文從低頻前驅波傳播的理論與實驗等方面對其傳播機理的研究現狀進行了簡要概述。斷裂預擴展、過熱液體暴沸、粘滑地震前的預滑等均可能產生低頻前驅波;微破裂集結、均勻和非均勻斷層滑動失穩成核、聲透射等實驗均證實了巖石在大破裂前確實能夠產生一種長周期、小振幅的低頻事件;低速斷層、殼內低速層、承壓含水層、水體大連通性好的灰巖含水層、大氣中的聲波導層有利于低頻前驅波傳播。

地震;低頻前驅波;低速層;傳播

引言

早在20世紀70年代，低頻前驅波就被認為是來自震源的信息，具有重要的短臨預報價值。近年來隨著國內外寬頻帶數字地震臺網、高采樣率數字前兆臺網、連續GPS臺網觀測手段的廣泛應用，前驅波的特征、前驅波形成機理、前驅波傳播等問題愈來愈受到國內外一些學者的關注，并成為前驅波研究問題的熱點。

1 低頻前驅波現象

地震前的低頻慢地震波現象，最早是由Kizawa[1]在GS12型重力儀光電記錄上發現的。他發現1964年3月28日美國阿拉斯加大地震和1964年6月16日日本新潟地震前3天，有一系列的特殊脈動疊加在重力固體潮曲線上，并一直持續到大地震發生。之后國內外也有許多類似的前驅波異常現象報導。Crescentini等[2]用意大利中部山洞中的激光干涉儀記錄到二個垂直方向上基線的應變變化，從1996年2月至1997年9月，他們在幾個地震群觀測中發現了180多個前驅波，并發現地震矩與斷裂持續時間相關;McGuire等[3]對1994年Romanche轉換斷層上地震寬頻帶地震儀記錄低通濾波后，也首次在時間域識別出高頻地震波動到達前約100 s即開始出現前驅波，其釋放的地震矩約為全部地震的一半;2001年11月14日昆侖山大斷裂中段發生的M8.1地震，新疆臺網的寬頻帶數字地震臺在震前3.5天普遍地記錄到顯著的長周期異常波動信號[4]。近年來在我國某些地下水位觀測井中又發現一些強震前幾小時到幾十小時記錄到水位長周期異常波動現象，其周期多為數分鐘到數十分鐘，幅度為幾到幾十毫米[5-6]。

2 低頻前驅波傳播的理論研究

目前關于低頻前驅波傳播機理有許多不同的理論，其中最具代表性的有斷裂預擴展理論、流體作用、聲波透射理論、亞臨界擴展、預滑與地震前兆理論等。

2.1 斷裂預擴展理論

馮德益等[7]應用斷裂力學和流變介質中波的傳播理論，研究了震前長周期形變波的波動源以及這些波傳播的一些主要特征:震前地殼內的長周期形變波可能由斷層預滑或斷裂擴展產生，其周期范圍一般為幾十秒至幾個小時;流變介質有利于長周期縱波傳播而不利于長周期橫波傳播;由斷裂預擴展在地殼介質中產生的長周期形變波應該以縱波為主;由于長周期形變波具有較明顯的頻散特性，其衰減系數也較強烈地依賴于頻率，因而在傳播過程中其波形要不斷發生變化;斷裂預擴展對應著突然加壓，并持續較長的時間，則由相應公式可以算出，在波動源區外圍鄰近介質中傳播的長周期波近似具有“階躍”形，而遠區介質中傳播的長周期波則具有振幅迅速衰減的“振動形”。

2.2 流體的作用

臨震前震源地方出現預滑是低頻前驅波產生的原因之一。但據有關的研究，預位移量很小，它很難直接引起較明顯的低頻前兆變化。郭增建等[8]認為在預位移和低頻前兆之間可能存在著某種高放大過程，即過熱液體的暴沸。這是由于淺源大地震的震源頂部可能達及地表或接近地表，而地表沉積層基底一般是飽含水的，它以曲折的通道與地表相通。由于這些通道位于地下深處，地面的擾動不易影響它，因此這里的液體可認為處于相對靜止狀態。另一方面沉積巖的傳熱性能差，所以深部上來的熱流有可能在沉積基底聚熱，并使這里的水達到過熱狀態(即超過沸點而不沸騰)。如眾所周知，過熱狀態的液體是極不穩定的，一旦震源區有變動，如預滑引起的運動，就可能觸發過熱液體暴沸。由于暴沸過程極其劇烈，所以它是震前預位移和前震活動的放大器。預滑放出的波能約為主震時的1/104，預位移時斷層面上質點位移速度與斷裂傳播速度成正比。因此，當預位移很慢時，預位移的傳播速度也很慢。盡管預位移產生的彈性波能量不大，但由于預位移時質點運動的速度較慢，周期較大，波長較長，因此它向外傳播時吸收較小，傳播得較遠。

2.3 前兆次聲波

前兆次聲波是指地震前地殼內應力積累到一定程度，在微裂過程中應力釋放，輻射彈性波，當此彈性波傳播到地表層時，向大氣中輻射聲波，壓迫地面上的空氣層，引起壓力變化產生聲波。由于地殼中板塊的這些變化是緩慢進行的，故引起的聲波屬次生頻(20 Hz以下)范圍[9]。

根據聲學理論基礎估算，平面聲波從地表土層垂直入射到空氣的折射系數D=2ρ2c2/(ρ2c2+ρ1c1)，取土壤密度ρ1為1140×103 kg/m3，土層聲速c1為400m/s，空氣密度ρ2為1118 kg/m3(氣溫23℃)，空氣中的聲速c2為345m/s，則D為0.00145。即土壤中1個大氣壓的波動透射到空氣中將引起145 Pa的聲波。因此地殼內微破裂所產生的長周期波完全可能透射到地面大氣層中[9]。

大氣對可聽聲(20～20000 Hz)有很大衰減。熱傳導和粘滯吸收均與頻率的平方成正比，故頻率越低，吸收越小。例如0.1 Hz的次聲波在空氣中傳播時，就比1000 Hz的可聽聲吸收系數小1億倍。對1 Hz以下的地震前兆次聲波，吸收效應幾乎可略去不計。根據經驗實例，1 Hz聲波在100 km高度的衰減率約為0.1 dB/km。故從地面傳到大氣層下聲道僅衰減約1.8 dB。另外，大氣中的聲波導對次聲波傳播也起積極作用。在上千千米厚的大氣層中，由于氣溫隨高度增加而出現兩個溫度極小值，從而形成兩個次聲通道。大氣下聲道離地面約18 km，在對流層和平流層之間。大氣上聲道離地面約85 km，在中間層與熱層之間。強地震的前兆次聲波因其振幅較強，很有可能進入大氣下聲道，從而傳到更遙遠的地方[9]。

保持傷口敷料清潔干燥,植皮患者植皮區制動,觀察皮瓣的顏色、腫脹、彈性,綜合判定皮瓣血運情況,發現異常及時報告主管醫生[4]。

2.4 亞臨界擴展

劉萬琴等[10]對北京房山煤礦井下6號地震臺記錄到的高頻和低頻振動，用彈性波和近年來一系列關于地震破裂成核理論進行了分析。結果表明，低頻振動可能是亞臨界擴展向前推進時激發的長周期波，是不可恢復的形變。在其研究中對最大的一次(M=2.3)礦震事件前短臨階段的震源過程特征進行總結，認為震前20天左右亞臨界擴展開始出現并具有間歇性，在此期間孕震斷裂端部擴容區體積變化不大。亞臨界擴展時不僅激發產生長周期波，同時也常誘發小事件。

3 實驗研究

3.1 典型構造微破裂集結的實驗研究

為了尋找(超)低頻輻射與破裂之間的關系，李世愚等[11]用大理石和玻璃進行試驗。結果發現，在A組樣品的初始破裂瞬間，載荷傳感器記錄到應力升高的低頻脈沖。樣品出現的脈沖持續時間對應的優勢頻率(1～3 Hz)不僅低于一般的聲發射頻率(20 kHz～1mHz)，而且低于可聽聲音頻率(16～20 kHz)，已進入次聲頻率范圍。除此之外，他們用金屬棒和橡皮頭錘子先后敲擊一個直徑為300mm，厚度為15mm的大理石板的中心點，以比較其產生的輻射波。發現橡皮錘敲擊產生的初至波的卓越周期比金屬棒敲擊的卓越周期大一倍左右，因此認為:震源部位的激發介質特性起重要作用，柔性介質的沖擊振動頻率遠低于脆性介質。

3.2 均勻和非均勻斷層滑動失穩成核過程的實驗研究

馬勝利等[12]在中國地震局地質研究所構造物理開放實驗室進行了均勻和非均勻斷層滑動失穩成核過程的實驗。實驗結果是均勻標本一次粘滑失穩的特點是破裂速度均勻，不存在所謂的成核相;非均勻標本粘滑失穩由兩種不同性質的波組成。首先是振幅很小、周期較長的彈性波從斷層上部向下部傳播，并在“弱段”和“強段”交接帶疊加了振幅不大的高頻成分，然后是振幅較大的短周期彈性波從斷層中間向兩側傳播，這種長周期的彈性波所揭示的是動態破裂開始時相對較慢的破裂過程，是一種典型的破裂成核相;均勻標本的斷層從閉鎖到失穩的轉換是相當突然的，只是在失穩前約5 s才出現預滑現象，但預滑量很小，滑動速率很低;非均勻標本失穩前預滑現象非常明顯，失穩前約20 s便出現了預滑，盡管其間滑動速率并不均勻，但失穩前預滑逐漸加速的現象十分明顯。顯然，以低頻、小振幅波形為特征的成核相的產生與斷層的高速預滑相關。他們的實驗結果充分證明了成核相的產生是由于非均勻斷層預滑速度達到了動態破裂速度所致。這種現象的產生與實驗觀測設備和數據處理方法無關。不是所有的失穩都能觀察到成核相，“預滑”并不意味著成核相一定會出現，成核相能否產生取決于預滑速度，只有當預滑速度足夠大時，才能夠激發彈性波。他們的實驗結果也證實了地震成核相是客觀存在的，是發震斷層的非均勻性造成地震破裂過程非均勻性的反映。

3.3 超遠強震前前兆異常的實驗研究

許昭永等[13]的遠場和超遠場前兆的模擬實驗研究結果表明，巖樣破壞時，巖樣外很遠地方都可能出現前兆異常，即在大地震前在孕震區以外很遠的地方都可能出現前兆異常。在巖石主破裂前巖樣外并非任何測點任何時間都有突變和擾動，它僅在一些靈敏點，僅在極臨近主破裂時才有反映。

3.4 強地震前兆低頻波的實驗研究

唐林波等[14]聲波透射實驗表明，對于板狀材料，聲音的一部分能量可以透射到空氣中，另一部分能量在板中形成，使板產生較大的振幅，在空氣中產生能被話筒接收到的聲音信號，而信號的頻率與板的尺寸有關。巖石破裂實驗則表明，隨著微破裂的集結和裂紋的擴展，所輻射波的頻譜會逐漸向低頻移動，而且當頻率很低時，可以透射出巖石，被話筒接收到。

根據尺度相似原理，可把他們的實驗結果推廣到野外，地殼可以看作是分層介質。如果地震前地下有一波源，一部分能量透射到空氣中，而另一部分能量在地殼中產生較強的簡正波，引起地球表面振動，再次被空氣中的次聲探測器接收到。由于地殼的尺度一般為幾百千米，因此，它所激發出的聲波的波長就為幾百千米，對應于次聲波的周期就為幾十分鐘，與實際觀測結果相符。巖石破裂實驗表明，隨著時間的推移，微小破裂逐漸集結為較大的破裂，聲發射最高頻率隨著裂紋長度增加而降低。所以，在野外隨著破裂的集結，裂紋長度越來越大，滑動越來越慢，輻射波的周期也越來越長，一般地震儀器可能記錄不到，但某些超低頻傳感器或次聲波接收器卻能記錄到[14]。

長周期波的來源可能很復雜，很多情況下并非脆性破裂，而是塑性蠕滑或者有流體參與。而后兩種情況產生的波的周期會更長，這可能是多數地震前缺乏前震的原因。而特殊的長周期記錄儀和次聲波接收器能記錄到這些長周期信息，從而補償了大多數強地震前缺失的地震活動信息。

3.5 流體的膨脹-擴容模式

高圍壓下的膨脹-擴容實驗表明，地震前張裂隙的產生為流體的運移提供了足夠的空間，當超臨界流體快速進入新裂隙時，由于空隙壓力突然變低，會引起膨脹產生(超)低頻波，這就為流體的超激發假說提供了斷裂力學的支持[15]。

4 殼內波導層——低頻前驅波傳播的通道

低頻前驅波傳播可能有兩個通道:一是較淺的地殼;二是地殼下某個波導層[16]。目前與低頻前驅波傳播有關的導波通道有低速斷層、殼內低速層、承壓含水層等。

4.1 低速斷層圍陷波的頻散效應

斷層圍陷波(fault zone trapped waves)，是沿斷層帶內部傳播的Love型面波，是圍陷波在低速斷層帶和高速圍巖之間的邊界上的多次反射波相干疊加所產生的。斷層圍陷波起源于多次反射的相干疊加，因而其優勢頻率必然與斷層帶的寬度及其內部介質的速度有關。斷層帶越寬，或斷層帶內部介質速度越低，則觀測到的斷層圍陷波的優勢頻率越低，斷層圍陷波的頻率為1.5～1.8 Hz。眾所周知，破壞性地震常常發生在斷層帶上。這是由于斷層作用使地殼發生變形，導致巖石的巖性、孔隙壓力和地震波速度的變化。斷裂帶內部的速度都低于外部的速度，顯示了沿斷層傳播的圍陷波的頻散特征，即圍陷波的低頻部分比高頻部分傳播得快[17]。

李松林等[18]利用斷層圍陷波研究了昆侖山口西8.1級地震破裂面，結果表明:(1)無論是人工地震震源還是天然地震震源，只要位于斷層帶內或緊靠斷層帶，均能激發斷層圍陷波;(2)斷層圍陷波的能量主要集中于斷層帶內，其振幅隨測點與斷層帶距離的增加而急劇衰減;(3)斷層圍陷波的優勢頻率與斷層的寬度及斷層帶內介質的速度有關，斷層帶越寬，或斷層帶內部介質速度越低，則觀測到的斷層圍陷波的優勢頻率越低;(4)斷層圍陷波存在著頻散現象。

4.2 殼內低速層是強導波通道

層狀介質地層中的導波(guided wave)更具特色。它傳播遠、抗干擾能力強;不僅攜帶了較多的地層信息，而且能夠較容易地被激發和接收。在實際的層狀介質地層中，特別是地表下出現低速層時，除這種模式波外，還存在陷模波，這種陷模波往往對應于沿著地表下某一層面的延伸方向傳播的導波[19-20]。

Johnson等[21]在科羅拉多(Colorado)完成的跨井實驗研究中發現井孔中(包括發射井和接收井)的斯通利波(Stoneley wave，又稱管波(tube wave))和沿地表下低速層中傳播的導波可以相互轉化，它們是強烈地耦合在一起的;沿低速地層傳播的導波是耦合在井孔中的管波的主要機制。

4.3 承壓含水層的波導效應

在一定的水文地質條件下，承壓含水層可以概化為水平層狀的平板型波導(波導是指界面受到限制的波傳播空間。構成波導的介質及其界面可以是流體、固體或流體與固體的集合體)，承壓含水層是飽含流體的多孔介質的波導。粘滑前的預滑與破裂前斷裂的預擴展、震前短臨階段的亞臨界擴展等地殼應力應變產生的前驅波進入含水層后，可簡化為簡諧平面波，并設前驅波在頂底板邊界限制的含水層中沿水平方向傳播。由于含水層與其頂底板聲阻抗存在明顯差異，前驅波在頂底板界面發生多次全反射。波的絕大部分能量集中在含水層內傳播，很少向圍巖輻射。在含水層中相互疊加、相長干涉，形成一個強的干涉擾動，從而構成了含水層波導層。前驅波沿著這一層狀展布的含水帶能傳播較遠的距離，承壓含水層具有波的制導能力[22]。

4.4 井水位前驅波傳播機理

研究結果表明，灰巖含水層觀測井對前驅波的響應幅度大于其他巖性的含水層，甚至是砂巖含水層的幾十倍。這是因為灰巖井不但水體相當大，而且含有許多溶洞，使得含水層內水體連通性非常好，因此響應頻帶寬。水體連通性好能給低頻波的傳播提供最佳通道，這也是井水位在強地震前記錄前驅波的必要條件。現有的觀測資料也證明，能記錄到強震前前驅波現象觀測井的含水層巖性多以灰巖為主。井水位前驅波現象所反映的地震多以強遠震為主。根據波在固體介質中傳播的理論，波的傳播特征與波的頻率有關，低頻波更易傳播到遠距離。強震前前驅波現象的形成取決于大震前斷層運動的方式;強震前前驅波現象是短臨階段的亞臨界擴展激發的;只有具備低頻波傳播條件的觀測井，才有可能記錄到前驅波。因此較遠地區強震前前驅波的記錄也就不難理解[6]。

5 存在的問題

大量的研究表明低頻前驅波具有主震震級范圍寬(4.9至8.4級)、周期范圍大(幾分鐘至幾十分鐘)、出現時間分布范圍寬(震前幾分鐘至十幾天)、有效觀測距離大(40～8000 km)等特點。前驅波觀測與研究對地震短臨預報具有特殊意義。本文僅根據一些學者理論與實驗研究結果對前驅波傳播機理進行了粗略概述，但是，要把此項研究工作用于地震短臨預測仍存在以下幾個問題:

(1)地震發生前的短時間內震源附近經歷了什么樣的物理過程?應力應變場是如何演化的?是否如人們在板塊俯沖帶預測的那樣，在大陸走滑斷裂帶內也存在一個鎖定層與蠕滑層間的轉換層，其間不定期發生的慢滑移事件將應力負載轉移到位于其上面的鎖定層，從而引發鎖定層的失穩，觸發地震?

(2)脈動事件究竟是源于構造應力作用下的剪切滑移還是水壓破裂仍存在爭議，脈動發生的位置也有不同研究結果。

(3)前驅波的機制十分復雜，許多問題還處于探討階段。對前驅波的了解及地震應力積累的知識還很缺乏。目前還不清楚前驅波在哪里發生?前驅波是罕見的還是經常性的?能量是大還是小?為什么會發生前驅波?前驅波是否能預報地震?這些都是目前尚未有結論的問題。

(4)從已有的記錄資料可知:前驅波可以是地震前兆，與地震有直接關系。但有時前驅波并不伴隨地震發生。這可能意味著前驅波的作用具有雙重性。要充分了解前驅波機制，需要進行更細致的研究。

(5)迄今為止，我們積累的前驅波的觀測資料并不很多，其原因是前驅波的深入研究有賴于地震觀測儀、應變儀、重力儀和大地測量儀的改進，以及與GPS、InSAR等的聯合觀測。而目前的地震儀器均難于適宜前驅波的觀測。

6 幾點建議

根據前述前驅波研究中存在的問題，提出如下幾點建議:(1)選擇物理量。地震儀一般記錄的是地面位移，觀測和實驗均證明不如形變記錄和地下水位記錄。(2)配備寬頻帶、高靈敏度和高精度的傳感器。(3)記錄位置處于低頻波傳播的最佳路徑或通道。大氣層可能是最適合次聲波傳播的通道，松散的沉積層或砂層是最適合低頻形變波傳播的通道。(4)要建立一定規模的觀測臺網，單臺是沒有預測意義的。(5)將前驅波作為地震科學攻關的重點項目進行有組織的、目的明確的、系統的觀測和研究。

(作者電子信箱，張淑亮:shuliangz@yahoo.cn)

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Review of the research on the propagation mechanism of low-frequency precursory waves

Zhang Shuliang1，2)，Li Bin1，2)，LüFang1，2)
1)Earthquake Administration of Shanxi Province，Taiyuan 030021，China
2)National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan，Taiyuan 030025，China

From the aspects of propagation theory and experiments of low-frequency precursory waves，a review of the research on its propagation mechanism is presented in this paper.Pre-extension of faults，bumping of over-heated liquid and pre-slipping before stick-slip earthquakes all have the possibility to produce low-frequency precursory waves.The experiments of micro-fracture concentration and sound transmission have proved that rocks can produce a type of long-period and small-amplitude low-frequency events.The low-velocity faults，low-velocity layers in the crust，confined aquifers，limestone aquifers with good connectivity of large water unit and the conductive layer of sound wave in the atmosphere are favorable for the propagation of low-frequency precursory waves.

earthquake;low-frequency precursory wave;low-velocity layer;propagation

P315.3+1;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2012.02.005

2011-06-07;

2011-08-23。

地震科學聯合基金(A08051);山西省科技攻關項目(2006031106);山西省自然科學基金(2011011027);2011震情跟蹤工作項目(2011011401)。