地震的確定性前兆及觀測方法

邱澤華 唐 磊 趙樹賢

（中國北京100085 應急管理部國家自然災害防治研究院）

實驗證明，巖石破裂前必然發生“聲發射”，這為地震的確定性前兆研究提供了線索。但是，地震前兆的“聲發射”與實驗室巖石破裂前的聲發射有類似之處，也有不同之處。

鉆孔應變儀記錄到不少地震前異常變化，其中2008 年汶川8.0 級地震前約一年姑咱地震臺YRY-4 型鉆孔應變儀記錄的一系列“毛刺”異常較為典型。這些“毛刺”的時間分布和尺度分布特征與巖石破裂前的聲發射相符，見圖1。圖中：s13、s24和sa為3 個替換應變觀測量，括號中的數字表示慢事件總個數；A為慢事件應變變化幅度；NA為慢事件個數；MS8.0表示汶川地震對應的發生時間。由此可見，在主破裂前，“毛刺”逐漸增多增大，然后衰減，且“毛刺”尺度呈負冪率分布。

圖1 汶川MS8.0 地震前姑咱臺鉆孔應變儀觀測的“毛刺”異常的時間分布（上）和尺度分布（下）Fig.1 Amplitude (A)-time distribution（upper）and number-amplitude (NA) distribution (lower) of the slow events observed before the Wenchuan MS8.0 earthquake by the borehole strainmeter at Guza

但是，大多數“毛刺”發生時擺式地震儀并未記錄到地震事件，說明“毛刺”是慢事件。實際上，此類“毛刺”事件通常長達數分鐘或數十分鐘，甚至更長。以往研究認為聲發射只能與前震對應，這是需要糾正的一個錯誤觀念。把地震前的“聲發射”擴展到慢事件，這是對地震前異常變化認識的一個飛躍。鉆孔應變儀是一種全頻段觀測儀器，可以觀測慢事件，也可以觀測“前震”，此為其一大優勢。

巖石破裂前出現聲發射的本質，是巖石試件中出現微破裂或微破裂擴展。巖石被破壞前，聲發射會出現在主破裂附近一個相當大的范圍內。大破裂（地震）發生前，微小破裂過程受大破裂附近相當大范圍內復雜地質條件制約，在空間上具有離散性，而不是只發生在震源斷層附近。對于慢事件，只有附近有微小破裂過程的觀測點才會記錄到這種異常，若沒有則記錄不到。四元件鉆孔應變儀記錄的地震前兆異常一般伴隨“失洽”現象，此為“毛刺”現象反映觀測點附近出現微小破裂的佐證。

巖石聲發射的主要意義不僅在于其時間位于主破裂之前，還在于把微小應力載荷變化放大數十倍甚至更高，使之更容易被觀測到，其原因是破裂端點的應力集中效應。鉆孔應變儀可以觀測到這種應力集中變化，此為其另一大優勢。位移信號不存在此類放大現象。相應地，觀測位移變化的儀器則觀測不到該異常變化。GPS 和伸縮儀等由于基線太長同樣難以觀測到這種應力集中變化。

巖石破裂前的聲發射是變化多端的，隨機性較大。在地震孕育過程中，震源周圍地區的地質情況千差萬別，可能出現的微小破裂過程各不相同，決定了這種地震前異常變化形態的復雜性。但是，聲發射的時間分布特征具有普遍意義，可以用來進行地震預測。

地震預測的出路，就是大量建立觀測點，特別是鉆孔應變觀測點，并且要把觀測點建立在斷裂端點和斷裂交叉部位等構造比較復雜的地方。現在的觀測點太少，遠不能滿足地震預測的需要。