活動地塊理論框架下的地震物理預報展望與探測儀器設備

石冬

（河南省濮陽市范縣防震減災中心，河南 濮陽 457500）

目前，全球性地震災害活動的程度日益加劇，我國也是頻繁發生嚴重地震災害的國家，故其要面對更加嚴峻的防震減災形勢。

20 世紀后期，基于國家的大力扶持，我國科學家在有機聯系地震地質、地球物理、大地形變和前人研究成果的基礎上，嘗試對我國大陸強震活動規律提出了解釋性假說，利用這種理論，可作短臨地震預測。提出了用電磁波群時延差測定深層電導率變化的方法，并研制出了探測儀，積累觀測資料，為今后研究中國活動構造與強震預測提出了發展方向。

1 強震機理研究與進展

我國出現的地震基本都屬于板內大陸地震，而對其機理的研究和預測也堅持不懈地保持了數十年。我國地震預測研究最具代表性的事件為1966 年3 月的邢臺地震，它成功揭開了我國地震基礎研究的大幕。1974 年，地質學家張文佑根據地質力學理論，汲取地槽-地臺說與板塊構造學說的相關知識，提出了一種斷塊構造理論。該理論的核心是對巖石圈進行斷裂分割，進一步獲得大小、深淺與薄厚都不一樣的斷裂塊體，如此也使巖石圈的斷塊構造產生了多級、多層與多起的顯著特征。參考其規模與邊界斷裂程度獲得四個級別的斷塊，即巖石圈斷塊、地殼斷塊、基底斷塊和蓋層斷塊。對應這部分斷塊還形成了四級斷裂深度，即切穿巖石圈過渡至軟流圈的巖石圈斷裂、切穿地殼到達莫霍面的地殼斷裂、切穿地殼花崗巖層后到達康氏界面的基地斷裂以及沉積蓋被切穿直達結晶基底的蓋層斷裂。斷面附近區域的斷塊易發生錯動，且圍繞斷塊的上下面形成層間滑動。由于巖石圈斷裂構造被全球統一構造應力場作用，以及原始菱形剪切斷裂網格和發生不規則鋸枝狀張性斷裂形成了基本斷裂體及其組合，故綜合作用于地殼構造帶來發育限制，此外，淺層構造也容易對深層構造帶來不同程度的影響。

2003 年的“大陸強震機理與預測”項目提出了活動地塊假說，系統描述了我國大陸目前構造變形的基本規律，深入探究了大陸強震的形成機理和預測模式。作為獨立地質單元的活動地塊，其在大型晚第四紀活動構造的影響下遭遇分割與圍限，同時發生了比較集中的運動。地塊內穩定性持續增強，邊界帶構造活動異常劇烈，加之各個層次的拆離帶或滑脫帶有效控制深部區，故在邊界帶出現了多數7 級以上強震，致使地塊運動高度統一。我國大陸早期包括5 個一級活動塊體與若干個次一級活動地塊。

我國大陸的活動地塊呈現出多個顯著特征：新生性。活動地塊形成于晚新生代，且延伸發展到目前，這部分地質單元始終保持活動狀態，并與斷塊、地槽、地臺存在顯著不同；整體性。活動地塊內穩定性強，構造變形日趨平穩，但在活動地塊邊界發生強烈震動與構造變形；立體性。活動地塊的運動與變形容易被板塊邊界驅動威脅，同時深部產生動力影響；層次性。活動地塊形成了不同級別，大規模次級地塊集中拼湊成大地塊，其有效適應大地震，而小地塊很好適應了小地震。以上研究表明，由我國大陸晚第四紀構造變形的顯著特征可知，基于大陸強震的特殊現象，初步在我國大陸活動地塊輪廓與邊界斷裂之間建立了一種深淺耦合的關系，突出了活動地塊的運動規律，使地塊間的作用更為突出，進一步強化了與強震的內部關系。

四川汶川發生的8.0 級特大地震，對其研究的專家學者初步總結了本次地震的發生規律，學者提出了一些創新性的想法。在全面掌握龍門山的地質結構形成特定與地震攜帶的反常自然現象，研究人員綜合調研結果提出了發震機制假設，地震發震造成了壓力巨大的天然氣體，由于其流動在低強度面致使巖體破裂、地層隆起，從而出現反彈問題。在巨厚三疊紀與海相沉積地層間源源不斷產生大量天然氣，當其完全填滿大型縫洞閉圈構造時，隨著時間的延續，天然氣不斷流入縫洞，帶動了壓力的快速上漲，最終被迫轉移至破裂巖層、推覆斷層面或不整合面，如此形成地震。一般來講，地震的形成必須具有斷陷盆地，而高壓天然氣體與其增生突出是地震形成的充分條件。這一創新性理念支撐了地震氣爆論，推動地震預報研究工作的可持續發展。

2 活動地塊理論的應用

2.1 在強震中長期預測中的應用

經全面系統的研究地塊邊界帶的構造與強震活動過程可知，在邊界帶強震活動水平、構造活動速度與強震復發環節之間形成了一種彼此呼應的關系，再次證明邊界帶的構造變形較大程度限制了中國強震，依據各邊界帶地震應變釋放情況揭示中國的地震活動規律，從而對活動地塊邊界帶強震活動特性進行預測。根據這部分研究理論，聯系各邊界帶的地震活動數據獲得強震活動強度與復發規律，且結合邊界帶地震的發生情況，總結各邊界帶的危險性，進一步掌握各邊界帶的危險等級和分區活動規律，充分說明我國大陸活動邊界帶上強震活動的區別和動力來源。再對多條活動地塊邊界帶上地震形成的變異參數科學計算，從而了解各邊界帶的地震活動形式，判斷我國大陸各區域的地震活動體現出對應的活動特點，其物理機制也出現了區別，基于此，計算對數正態分布函數，以對各活動地塊邊界帶的危險程度科學判定。

2.2 強震機理模型的細化

汶川8 級地震客觀驗證了活動地塊假說的預測，且對活動地塊假說的理論依據進行了考驗。絕大部分學者將地質、地球物理和大地測量等數據聯系在一起，建立了能應對強震的預測模型。以對與汶川地震相關的地表破裂、余震分布、地殼變形等客觀剖析，綜合把握了震前構造變形規律，圍繞汶川地震孕育機理構架了多元化模型，由此發現在塊體邊界兩側的巖石圈出現了結構與性質差異，順勢造成變形模式與應力累積的區別，當其統一發揮作用時快速積累了邊界斷裂帶引力，由此產生了汶川特大地震。

結合大量研究表明，一旦活動地塊邊界帶所處區域偏大時，則會帶來非常明顯的強震活動。阿爾金-祁連山-六盤山作為我國大陸活動地塊邊界規模最大的區域，其將若干Ⅰ級活動地塊有機聯系在一起，同時，兩側也陸續出現了很多Ⅱ級活動地塊，它們的活動帶有顯著差異性。在對邊界帶內活動斷裂結果分析可知，在該區域內的活動異常復雜且頻繁，由不同走向的3 條活動斷裂構成了內部結構，且會被大型走滑斷裂所掌控，二者與走滑斷裂的頂端共同作為逆沖構造發育區。

2.3 活動地塊假說理論體系的發展

地球科學最顯著的特別便是綜合性，從一個假設學說的產生到形成比較完善的理論體系，這個過程非常漫長。活動地塊假說的研究關鍵在于歸納歷史與現代活動特點，收集結構活動和大地測量等相關資料，證明了活動地塊變形對我國大陸強震有效控制的事實。與其有關的研究工作對活動地塊的綜合特點與邊界結構實現了全面研究，形成了最初的理論體系。

我國大陸地塊地震活躍度最高的為青藏高原，而該地產生強震次數取決于活動地塊邊界帶與塊體內次級邊界活動情況，也可以認為海拔是該區域活動斷裂分布與強震發生狀況的最直接影響因素。若高原的低海拔區產生了逆沖斷裂與逆沖型強震，則高原內部會形成正向斷裂與共軛走滑斷裂，此外，高原各個海拔地區也形成了走滑斷裂，相對而言，北部為左旋走滑動。

3 探測儀器

結合上述原理，設計出了探測來自不同深度地層的電磁波到達地面的時間差的儀器。（1）本儀器僅測時間差，故不會對輻射提出要求。（2）由于探測的對象是深層，故采用等于或小于1Hz 的頻率。（3）傳感器感應的信號包括有用與無用的信號，且小信號與大信號疊加。一般來講，50Hz 工頻最強，一般將其作為干擾信號，盡可能消除。探地使用明顯小于50Hz 的頻率，可以把50Hz作為載波。如此便減小了傳感器的尺度，達到了點式探測。（4）探地信號對應有始時間函數，其前沿包括階躍的和非階躍的。一般來講，自然源中入射波代表階躍式的脈沖，而從地下返回的波前沿為非階躍式脈沖。總之，介紹的都是有脈沖性質的信號。對地層電性結構，計算群時延差，結果表明，頻率為1Hz 的時差基本都超過了10ms。頻率降低時差升高。如此需要儀器對時差為10ms 的相鄰兩個脈沖信號進行區分。故探測儀應迅速響應信號。

信號來源：自然源，雷電形成的電磁波透入地下的入射波與不同地層的二次發射；人工源，在地面人為發射電磁波，與自然源有相同的接收方式。另一是在不同深度分別埋一個發射器，由地面設備控制。

傳感器：磁場傳感器，由于降低了頻率，故用高導磁率的磁棒。磁棒長24cm，直徑2.5cm，在5cm 框架內多層繞制。要想對磁場傳感器感應電壓不斷提高，可采取磁棒長度與直徑之比超過10 的磁棒，加大線圈圈數。相應調整前置效益。

電場傳感器，采取長條形敷銅板和電視用拉桿天線，還可以采取單根粗直導線，長度結合需求在1 ～10m 選擇。或采取1m 多根導線與相鄰導線并聯，保持5cm。如此可對相對電容不斷增加，減小阻抗，使傳感器與前置間的電壓傳輸系統增大。電場傳感器可對人體作出快速感應，測試時應謹慎。

磁棒傳感器與平板傳感器對比：前者感應電壓與頻率產生正比關系，后者與頻率沒有關系；后者感應電壓超過前者；前者表現出方向性，后者降低了方向性；具體應用時，前者改動困難，后者更易改動。

3.1 在地面接收的自然信號

（1）電場傳感器與磁場傳感器可得到相同的效果。（2）儀器可輸出幾伏到十幾伏的脈沖幅度。而傳感器的尺度極小感應電壓小，1Hz 電場接收的總增益約為80分貝，折算輸出到儀器輸入，入場波場強超過毫伏/米，由此發現，自然源有較大場強。（3）自然源并不是密集到不能分辨，也不是稀少到無法收集到充足的觀測數據。（4）在每個大脈沖(入射波)后，有一組時間延后，幅度減小的脈沖。如果這些脈沖來自地下信號，是很容易理解的。因為深度越大，到達地面的時間越遲，一般而言，深度越大，到達地面的信號幅度也越小。（5）本儀器使用的頻率是1Hz 和0.2Hz。輸出波形表明自然源中含有這種低頻。（6）儀器輸出波形清晰，轉折點的位置容易確定，有利于測定轉折點間的群時延差(時差)。

總之，從地面接收的信號表明，把50Hz 當作載波看待，采用尺度小的電場傳感器或磁場傳感器，利用自然源都是可行的。

3.2 有用信息識別

自然界總是存在各種電磁脈沖，在沒有所需要的信號時，帶通仍有輸出，一般不為0。當新的脈 沖信號來到時，疊加到原存在的輸出上，就會出現一個轉折點(在此點，波形曲線的斜率發生非連續變化)。轉折點是判斷有無新脈沖信號到來的依據。帶通輸出波形上的轉折點與整流輸出波形上的轉折點是對應的。但整流輸出波形上的轉折點更明顯，這與理論分析中用差分法處理帶通輸出數據得到的圖形類似。說明用實驗方法證明了理論分析是正確的，根據理論分析，地層的二次發射(如反射波)到達地面的時刻。都在帶通中心頻率四分之一的周期(T0/4)內。在輸出波形中，從上升幅度最大(入射波)的前沿起點算起，到T0/4 止，在這個時段內尋找有用信息。有用信息的特征是：在通常情況下，在這個時段內，來自地下有用信號形成的轉折點個數與轉折點間的時差有穩定性，重復性。而出現在這個時段內無用的隨機信號，則是不穩定的。對比多次觀測，就可把隨機信號排除。由起點到第一個轉折點的時差，反映的是地表層的情況，這個時差的變化在平時可用于考察人為和氣象等因素的影響。對預測短臨地震而言，應關注深層，即第二個轉折點后的時差變化。在實際應用中，只需將各次觀測記錄的圖形進行對比，在通常情況下，這些轉折點基本上應是重合的，在臨震前才可能有較大的錯位，這表示電導率出現了異常變化。

4 結語

我國大陸幾乎都是在活動地塊邊界帶發生強震，如此不僅檢驗了活動地塊假說理論，還預測了活動地塊邊界帶內是強震發生的集中應力位置。但對于活動地塊的概念與理論，還出現了很多需要解決的問題。因此，有必要構建對活動地塊理論進行檢驗的物理模型，在已知地層電性結構的地方進行觀測，這將能盡快地驗證有無來自地層的低頻電磁波，以及能否識別有用信號等。