地震能夠應(yīng)力預測＊

地震能夠應(yīng)力預測＊

Crampin Stuart1，2）Gao Yuan3）
1）British Geological Survey，Edinburgh EH9 3LA，Scotland UK.
2）School of GeoSciences，University of Edinburgh，Edinburgh EH9 3JW Scotland，UK
3）Institute of Earthquake Science，CEA，100036Beijing，China

1997年Geller等人曾發(fā)表“地震不能預報”，因為在自組織臨界系統(tǒng)中尺度不變性是普遍存在的，而地球正處于自組織臨界狀態(tài)中，在這種狀態(tài)下小地震具有某種概率，如瀑布般觸發(fā)大的地震事件。但是在物理上，只有對應(yīng)其地震震級的應(yīng)力能量得到有效釋放，才能有大地震的發(fā)生。利用對這種應(yīng)力的依賴性可以進行地震預測，方法就是利用剪切波分裂來監(jiān)控即將發(fā)生地震的周圍巖體的應(yīng)力積累。這項技術(shù)可以說是成功的，但是由于假定的不可預報性，所以需要清晰的論證才能被普遍接受。雪崩也是自組織臨界現(xiàn)象。近期通過二維球形素珠堆進行的雪崩實驗觀測表明，具有自組織臨界性的自然物理現(xiàn)象是能夠預報的，如雪崩、地震等。預報地震和雪崩的關(guān)鍵是監(jiān)控母體介質(zhì)，而不是即將發(fā)震的震源區(qū)。

自組織；地震動力學；地震相互作用；預測與預報；地震各向異性；波的傳播；動力學；地震構(gòu)造

引言

地球物理學長期以來都假設(shè)地震的本性是不可預報的［1－2］。作為這種假設(shè)的結(jié)果，雖然這種方法——利用剪切波分裂（地震雙折射）來監(jiān)測由微裂隙的變化引起的應(yīng)力積累，從而達到“應(yīng)力預測”地震的目的——顯然是成功的［3－4］，但仍充滿爭議且難以被接受。該技術(shù)利用剪切波分裂監(jiān)測應(yīng)力誘發(fā)的微裂隙的變化，并估計破裂臨界性（和地震）的逼近［56］，該技術(shù)的結(jié)果距即發(fā)震源區(qū)可能有一定的距離。

有關(guān)雪崩的新的實驗證據(jù)確認［7］，具有自組織臨界性（SOC）的系統(tǒng)可以通過監(jiān)測遠離即發(fā)源區(qū)母體巖石的整體行為來進行預報。實驗顯示雪崩和地震之前在整體特性上有很強的相似性，因此確定地震也可以預報或應(yīng)力預測。

1 雪崩預報

砂堆（或素珠）雪崩是自組織臨界性的一個典型范例［8］。Ramos等人［7］論述了雪崩實驗室測量方法，把二維球形鋼制素珠堆（～3 300）放入兩塊相互平行且垂直于地面的玻璃板之間，然后連續(xù)地往素珠堆中部一個一個地加入素珠。隨著素珠的一個個落下，對照片上素珠堆中每一個素珠的位置進行分析。雪崩規(guī)模（發(fā)生移動的素珠數(shù)量）和累計雪崩次數(shù)的對數(shù)函數(shù)的線性化證實了雪崩具有自組織臨界性。Ramos等人的分析是基于變化堆的規(guī)模和系統(tǒng)的平均區(qū)域擾動，這種擾動可以用“形狀因子”ζ來測量，對于二維結(jié)構(gòu)可以表示為：

其中，A是素珠周長，B是圍繞每一個素珠的Voronoi Cells面積［9］。低值ζ對應(yīng)素珠堆有序緊湊地排列，最小值為ζ＝1.08，代表六角形Voronoi Cell。

Ramos等人［7］給出了隨時間變化的時間相關(guān)函數(shù)C在大雪崩（100～1 000個素珠）發(fā)生前后素珠堆規(guī)模所對應(yīng)的時間序列（圖1）。該函數(shù)圖像描述了整個發(fā)生過程：素珠規(guī)模先是逐漸地遞增到峰值，然后開始減少，50個素珠之后大雪崩突然發(fā)生致使素珠堆規(guī)模瞬間減少。這50個點的延遲就可解釋為前兆過程。

圖1b表示的是平均形狀因子ζ的時間相關(guān)函數(shù)。剛開始擾動逐漸增加，當與堆規(guī)模峰值相對應(yīng)時，變?yōu)檠杆僭鲩L直至頂峰（50個素珠下落中），然后大規(guī)模雪崩發(fā)生，擾動瞬間降低。

圖1 雪崩和素珠堆基體的時間相關(guān)函數(shù)C。（a）大雪崩和素珠堆大小之間的相關(guān)。（b）大雪崩和平均形狀因子ζ之間的相關(guān)（改自Ramos［7］）

通過對圖1的分析，Ramos等人［7］對“大”雪崩進行預報的準確率為62±4%（對于隨機過程，這種預報準確率為50%）。他們認為，這種“不太引人關(guān)注的百分數(shù)”還是很重要的，因為它證實了通過對“大雪崩和系統(tǒng)中總體結(jié)構(gòu)變量（即基體材料的性質(zhì)）的相關(guān)”，在自組織臨界狀態(tài)下的一些現(xiàn)象“可能達到某種程度的可預報性”。有關(guān)雪崩的這些實驗室實驗是非常重要的，因為它們說明在自組織臨界下的現(xiàn)象能表現(xiàn)出一些前兆現(xiàn)象并且被預報到。

2 應(yīng)力預測地震

對流體－巖石形變的新認識是，對于幾乎能普遍觀測到的在應(yīng)力場中排列的地震剪切波分裂現(xiàn)象，都說明了地殼內(nèi)幾乎所有的原地巖石中普遍存在著大量按應(yīng)力定向排列的充滿流體的微裂隙［10－13，6］。這些微裂隙是巖石中最柔性元素，觀察到的剪切波分裂程度表明，微裂隙緊密排列（由于斷裂或者地震）接近失穩(wěn)，從而成為臨界系統(tǒng)。這種臨界系統(tǒng)給傳統(tǒng)的亞臨界地球物理學理論增添了新的內(nèi)容［10－13，5］。這種臨界性的影響之一就是在變化著的環(huán)境中微裂紋巖石的演化可以用APE理論（anisotropic poro－elasticity）模擬出來［13］。當破裂大范圍存在，失去抗剪能力時，任何一點擾動都會引發(fā)斷裂和地震，這種破裂水平就被稱為破裂臨界。根據(jù)APE理論，在自由表面，在與應(yīng)力相關(guān)的特定方向上，可以利用剪切波時間延遲的變化來監(jiān)控應(yīng)力積累的演化［10－15］。

圖2為4次地震事件前后剪切波的時間延遲變化［14］：（1）M＝6，1986，美國加州北棕櫚泉地震（North Palm Spring，California）；（2）M＝5.9/5.3，2001，中國云南省地震（左邊發(fā)生M＝5.9地震前是增加的；右邊發(fā)生M＝5.3地震前是降低的）；（3）M＝5，1998，冰島西南部地震（此處根據(jù)應(yīng)力成功預報出地震）；（4）M＝3.5，1982，阿肯色州埃諾拉震群。利用小震群的剪切波路徑來測量歸一化時間延遲的變化。

圖2顯示了兩種類型的變化［4］。

圖2 地震前歸一化時間延遲的變化。左邊：增加的時間延遲的最小二乘擬合（5年、3年、6個月和6天分別歸一化至相同長度）。右邊：把左圖中虛線方格內(nèi)的時標擴大，對應(yīng)降低的時間延遲的最小二乘擬合（修改自文獻［14］）

（1）左圖，在一定時間范圍內(nèi)歸一化時間延遲的增長可以解釋（模擬）為，隨著構(gòu)造板塊邊界應(yīng)變的增加相應(yīng)應(yīng)力的積累。起先，應(yīng)力的增加廣泛存在于毗鄰的板塊中，與潛在的斷層沒有聯(lián)系。但是，地殼是處于高度不均勻狀態(tài)的。如果應(yīng)力在小體積的巖石塊中積累，隨著應(yīng)力的積累而引發(fā)小地震；如果在大體積的巖石中應(yīng)力增加，其積累的速度是緩慢的但會引發(fā)大地震。所以，圖2左圖中歸一化后的圖像趨勢是相似的，它們持續(xù)時間對數(shù)的直線性變化與即將發(fā)生的地震震級大小一致。按通常的觀點，這些增加并不是地震前兆，因為還沒有識別到即將發(fā)生的地震斷層面。

（2）右圖，在一定時間范圍內(nèi)歸一化延遲的降低就是應(yīng)力能量釋放的過程，隨著應(yīng)力場能量的減弱，微裂隙集結(jié)成即發(fā)的斷層面。同樣地，圖2中右邊的各個圖像也具有相似性，而且震級的大小與持續(xù)時間對數(shù)的大小一致。右圖中應(yīng)力能量釋放的過程就可看為地震前兆，因為此時的微裂隙正在集結(jié)成斷層面。

應(yīng)力積累的變化在世界范圍內(nèi)的14次地震事件中（M＝1.7～7.7）都曾被觀測到（其中9次還出現(xiàn)應(yīng)力能量釋放）［4，6］。在冰島南部的一次地震事件中，應(yīng)力變化被提前觀測到，由此地震發(fā)生的時間、震級（M＝5）和斷層面都被成功地及時預測出來了［3－4］。

地震震級是釋放能量大小的對數(shù)函數(shù)，對數(shù)數(shù)量之間的自相似性是自組織臨界系統(tǒng)的特征［15］。普遍認為具有自組織臨界性的現(xiàn)象，如雪崩和地震等是不可預報的，因為在任何時刻，小的事件都可能觸發(fā)成大的不可預知的事件［1－2，8］，這就把雪崩的低水平可預報性明確地否定掉了［7］。

3 地震和雪崩的相似性

我們可以看出，圖2中地震前時間延遲的升高和降低與圖1中雪崩前相關(guān)函數(shù)的升高和降低是相似的。Crampin等人［16］對圖2進行了解釋：左邊圖像中時間延遲的增加過程對應(yīng)著圖1a中素珠堆規(guī)模逐漸增加至頂峰的過程（和圖1b中擾動的增加過程）；同樣，右圖中時間延遲的降低對應(yīng)著圖1a中持續(xù)約50個時間點的素珠堆規(guī)模的降低過程（和圖1b中擾動的加速增加）。

這種相似性有助于對這兩種預測（應(yīng)力預測地震和素珠堆預測雪崩）進行解釋。圖2左圖中應(yīng)力積累接近破裂臨界時，增加會立刻停止，時間延遲開始下降（圖2右圖）。在記錄站記錄下來的發(fā)生在鄰近較大地震前的小地震事件群中，這種時間延遲的增加和降低可以觀測到［14］。這些降低不能被模擬，因為對震源信息的了解不夠充分，但是隨著微裂隙連結(jié)成最終的斷層面，這可以理解為應(yīng)力釋放。

我們并不奇怪，若系統(tǒng)各個部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)都已知，就可以用特定的模型替代，例如簡單的二維幾何素珠堆，這樣，每一個素珠的掉落都可以被預報到（即使只比隨機序列的成功率多12±4%）。圖2中時間延遲的增減在物理上可理解為應(yīng)力積累和裂縫的結(jié)合，由此說明圖1中素珠堆的變化和擾動也有一個相應(yīng)的物理解釋。這很可能與素珠之間空隙的各向異性變化有關(guān)，證明可參考Ramos等［7］中的圖3。

4 討論

有人曾問過一個基礎(chǔ)性問題：具有自組織臨界性的介質(zhì)特性的可預報性有多少？“真實的”自組織臨界系統(tǒng)是不可預報的嗎？

Bak等人［17］利用隨機數(shù)據(jù)模擬自組織臨界性，這些數(shù)據(jù)的尺度不變性是隱含的，故所有部分斷裂的可能性是一樣的。從而就沒有可預報的前兆現(xiàn)象，這說明了介質(zhì)的重要性。同時也說明對（天然的）地震和（素珠堆）雪崩的預報離不開介質(zhì)。圖1和圖2的相似性確認了地震可以進行應(yīng)力預測。

我們推測，所有具有自組織臨界性的真實的物理系統(tǒng)，與隨機數(shù)據(jù)組成的人工構(gòu)造不同，在適當?shù)沫h(huán)境下會出現(xiàn)一些前兆現(xiàn)象。

5 結(jié)論

分析已經(jīng)顯示［4，7］，至少在某種情形下自組織臨界現(xiàn)象能夠被預測出來，由此，那種對根據(jù)應(yīng)力預報地震的技術(shù)［3－4］持批評態(tài)度的觀點顯然是不正確的。

譯自：Geophysical Journal International，2010，180：1 124－－1 127，doi：10.1111/j.1365－246X.2009.04475.x

原題：Earthquakes can be stress－forecast

（中國地震局地震預測研究所 王 瓊 譯；高原校。譯者電子信箱，王 瓊：sunny－wangqiong＠163.com）

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A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2010.07.007

2010－04－06。