基于青藏高原地殼不穩定因素下的引力波地震預測可行性研究

張文海 吳華 孟盼望 陶偉 曹亮

摘 ?要：在青藏高原地震是主要破壞性的地質災害之一，在目前國際社會預測地震的方式主要是利用地震產生的縱橫波速差來預測地震，通過闡述人類首次探測到引力波實驗原理依據、引力波的產生及其性質、地震的形成機制，分析衛星遙感預測地震的可行性。結果表明地震形成至發生的前夕，大質量物體碰撞或可產生引力波，以波的形成在空間傳播引起空間折疊震蕩，通過衛星遙感監測或可監測到大面積的空間折疊影像，從而起到預測地震的作用。

關鍵詞：青藏高原;地質災害;引力波;空間折疊

中圖分類號：O314 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）24-0068-03

Abstract： Earthquake is one of the main destructive geological disasters in the Qinghai-Tibet Plateau. At present， the way of earthquake prediction in the international community is mainly to use the velocity difference between P-wave and S-wave produced by earthquakes to predict earthquakes. By expounding the experimental basis of the first detection of gravitational waves， the generation and properties of gravitational waves， and the formation mechanism of earthquakes， the feasibility of earthquake prediction by satellite remote sensing is analyzed. The results show that gravitational waves may be produced by the collision of high-mass objects on the eve of the earthquake， and the spatial folding oscillations can be caused by the propagation of waves in space. A large area of spatial folding images can be monitored by satellite remote sensing， which plays a role in earthquake prediction.

Keywords： Qinghai-Tibet Plateau; geological hazards; gravitational waves; spatial folding

引言

地震對于青藏高原或是中國乃至世界而言，都是破壞性極大的地質災害。對于地震的預測在中國歷史上張衡就認知到地震及其所帶來的破壞，于是發明了地動儀來預測地震，表明先人已形成預震、防震的理念，直到今天地震預測仍然是很難有所突破發展。國際社會現階段普遍都是以地震產生的縱波與橫波在地層中速差來預測地震，其預測地震時間一般可提前時間約在十幾秒左右，但也會對人類社會避免生命財產損失做出了貢獻。基于前段時間俄國專家認為引力波或可預測地震，且能提前五天預測。通過對引力波的產生及傳播相關性質、地震形成機制、黑洞相互碰撞產生的時空漣漪，進行類比推理板塊運動或可同樣能產生微小的時空漣漪，也就是板塊碰撞產生了引力波，來判斷引力波預測地震的可行性。由于引力波從發現到證實的過程實例太少，只能通過星體、黑洞等超大質量的物質碰撞才能產生足夠人類探測到引力波，并且人類至今的探測技術也很有限，由于儀器的落后，無形之中進一步加深了引力波預測地震的難度，使得實驗室幾乎不能探測到引力波，這也為引力波預測地震可行性研究進一步增加了困難。基于超大質量物體碰撞引起空間折疊的事實基礎之上，板塊運動或可引起同樣的效應，從而通過遙感監測起到預測地震的目的。

1 引力波的產生及性質與預測地震機理

1.1 引力波的產生及性質與傳播

引力波的產生跟電磁波的產生有著相似的原理。即有質量的物質做加速度運動時其引力場會產生震蕩，于是就產生了引力波。引力波是橫波，在遠處為平面波，具有兩個獨立的偏振態。以輻射的形式傳播能量，在真空中具有光速同等速度。且引力作用比電磁作用還要弱很多，因此也為探測帶來很大的難度[1-2]。引力波首次探測到是以兩顆質量極大的黑洞合成一顆高度旋轉且質量很大的黑洞，其損失的質量以時空卷曲現象的形式向四周擴散傳播[2-3]（見圖1、2）。

基于能量守恒定律任何運動都是能量的轉化過程，超大質量物體由碰撞損失的質量轉化為動能，以波的形成向四周擴散。從圖2可以看到碰撞引起的引力波在空間中傳播引起了空間折疊，從另一個角度說如果視覺足夠好，是否可以很好地觀測到引力波的傳播方式，就像水波在水中的傳播方式被人所觀測到。對于空間中超大質量物體的碰撞引起的引力波進行類比推理，地球的板塊運動是否可以起到同樣的效果，通過板塊運動碰撞產生了引力波并且傳播，導致發生了區域性明顯的空間折疊現象。

由于板塊碰撞相對空間中超大質量物體碰撞引起的空間折疊及其能量的損失，可能只有區域性可以觀測到微不足道的空間折疊。但這也為遙感衛星監測到提供了可能，遙感衛星通過捕捉連續性時間區段內遙感影像的折疊現象，推測區域性的板塊擠壓碰撞。

1.2 引力波預測地震機理

引力波預測地震主要是分析地球內部流體物質擠壓產生的引力波，然后衛星探測到由于地層內部能量的積累與釋放所產生的微小振動，在地震來臨之前緩慢的能量積累肯定會引起地殼不停的震動，這就是引力波不斷傳播的作用，但不為人所感受到，當地震來臨前夕能量積累到了一個臨界值，會發生較大的震動。基于之前發生的震動引起的空間折疊現象，地震爆發前夕的空間折疊現象肯定會相比明顯。其過程主要是地球最外層巖石圈熱變化先產生震動，當內部引力波到達中間層時，引力波能量轉化為熱運動，從而影響溫度。俄國學者也表示引力波在地震前5天開始生長，在地震前兩天達到峰值，地震活躍地區是引力波增多的原因所在。引力波預測地震是通過分析地球表面深處可能存在一些跡象，表明可能會發生大地震。當然也表現出其存在的一定局限性，但不影響其突出的重要作用。

2 地震發生的物理機制

在目前所知的引起地震的因素主要是板塊運動引起的一系列構造運動，以及人工誘發的地震。在地殼表層物質都是固態巖石的形式存在，所以其發生震動破壞性很大，而對于地殼內部一定深度處物質就是以液態熔融體的形式存在。在板塊運動中遇到整體性及剛性較好的塊體時，地殼的區域差異構造運動發生牽制與矛盾，使得地殼差異構造運動不能正常進行，剛性塊體發生應變能量集中形成孕震體[4]，地震的形成本質是板塊的平行錯動、俯沖、擠壓作用形成的能量積聚。板塊運動時，板塊與板塊碰撞就是剛性物質的碰撞，形成了局部的高溫融化了巖石，當然也會如同超大質量物體一樣產生質量損失，如果如同超大質量物體一樣產生了引力波，那么其產生的引力波會在局部熔融體中傳播。類比推理，超大質量物體碰撞引起空間漣漪，板塊運動引起局部熔融其震動還是以波的形式傳播。通過紅外遙感衛星可以觀測地殼內部深部的變化。這為遙感衛星監測地表預測地震再次提供了可能。

3 超大質量物體碰撞產生的時空卷曲的微觀體現

我們知道引力波是時空卷曲振蕩形成的，那么通過反推可以認為空間發生卷曲的部位產生了引力波。其研究專家應該是通過對衛星觀測地表某些地層的微小振動，推斷該處產生了引力波。而地震根據以上地震的形成機制，地震是兩巨大質量塊體的擠壓，其原理很符合人類首次觀測到引力波實驗。黑洞之間的相互碰撞可以產生足夠強的引力波，就像扔在河中的石頭質量越大產生的漣漪越大，所以相關專家認為引力波或可預測大地震在類比推理上是成立的。但目前衛星分辨率還不足夠高，最先進的衛星分辨率是0.3m左右，在地球上所發生的板塊碰撞中的板塊質量比起星體與黑洞還是質量極其輕微。其發生的空間卷曲肯定是十分微小的，能否通過衛星觀測到地表變化還未知，但空間發生細微的卷曲理論上是存在的，符合俄羅斯專家利用衛星觀測地層產生微小的振動推測引力波預測地震。簡而言之，就是黑洞碰撞產生的引力波可以被探測到，并且歷史上發生的時空卷曲也被人觀測到。推理板塊碰撞的產生微小引力波通過高分辨衛星觀測是一樣的。

通過黑洞碰撞產生引力波類比推理板塊碰撞也能產生及其微小的引力波，而時空卷曲也早已經被人類所觀察到。使得引力波預測地震得到了很好的支撐，只需更加深入地了解地震物質碰撞規律，預測地震理論上是可行的。在引力波探測實驗中，引力波與檢測質量相互作用的作用截面極小且把入射引力波信號轉換成電信號是通過不斷地引力波信號進行轉換最終轉換成電信號，其過程能量損失極大且實驗要求也越苛刻，也受地面震動的影響以及目前科學技術水平的局限，實驗室還很難探測引力波的存在，只能通過天體引力波源進行探測[5]。未來通過發展分辨率更高的衛星以及更加深入了解板塊碰撞形成的地震機制很有必要。在工程建設時，我們通過防震理念表現出的抗震等級需求也不斷提高。但在大地震時仍然深感目前工程建設難以滿足實際需要，所以引力波對于大地震的預測仍然有著重要的作用。

4 結束語

相對于人類科學技術的限制以及對引力波知之甚少，對于引力波相關理論還不完善，也限制了引力波預測地震的可能性。但對于引力波預測地震個人認為還是存在一定可行性的，對于引力波預測地震無非以下可能性：

（1）通過大質量物體碰撞引起的引力波傳播觀測地表特殊的空間折疊形式及其幅度進行衛星遙感影像監測，進行經驗總結預測地震。

（2）板塊運動產生的熱能在地殼內部產生的局部熔融液態體，通過紅外觀測更容易觀察到引力波在液態中傳播的熔融體的波動。

（3）在青藏高原由于印度板塊的不斷俯沖擠壓，地殼下肯定存在大量的熔融體，使得其波動能更好地被紅外遙感衛星監測到，當然也只是一種推測。對于存在大量熔融體的區域，或許無需研究引力波的產生及傳播形式，只需對熔融體運動形式進行紅外檢測以及經驗總結，或可就判斷其區域是否穩定。

參考文獻：

[1]有關原初引力波的實驗發現[J].物理通報，2014（06）：2-3.

[2]本刊資料室.從引力場方程的建立到引力波的直接探測[J].物理通報，2016（04）：2-3.

[3]程景全，楊德華.引力波和引力波望遠鏡的發展[J].天文學進展，2005（03）：195-204.

[4]周友華.地震孕育發生物理機制的新探索[A].中國地球物理學會.中國地球物理學會第二十七屆年會論文集[C].中國地球物理學會：中國地球物理學會，2011.

[5]唐孟希，李芳昱，趙鵬飛，等.引力波、引力波源和引力波探測實驗[J].云南天文臺臺刊，2002（03）：71-87.