地震的起源和預(yù)警

編者按：一直以來，地震都是人類不得不面對(duì)的危害最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，而其危害之所以巨大、給人類社會(huì)造成的損失之所以嚴(yán)重，主要原因就是難以預(yù)警，突然而至。因此，長(zhǎng)期以來世界各國(guó)的科學(xué)家都在就如何對(duì)地震進(jìn)行科學(xué)有效地預(yù)警，為防災(zāi)減災(zāi)贏得時(shí)間而努力攻關(guān)。 今年2月19日，我國(guó)國(guó)內(nèi)的地震預(yù)警系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)破壞性地震的成功預(yù)警，雖然提前量只有幾秒到幾十秒，但已經(jīng)是一個(gè)可喜的進(jìn)步。

地球周邊的宇宙環(huán)境，特別是磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)地球有著重要的影響。地震的根本原因是地球大氣磁場(chǎng)受外部磁環(huán)境的變化影響引起異變并誘發(fā)地核的磁能量無序爆發(fā)，使巖漿流動(dòng)承受爆發(fā)性推力，進(jìn)而沖擊大陸板塊產(chǎn)生界面擠壓應(yīng)力集中區(qū)，在地球徑向抬升內(nèi)應(yīng)力的作用下產(chǎn)生界面斷裂震動(dòng)。完整的地震預(yù)報(bào)網(wǎng)由地球南（北）極的地磁通量密度測(cè)試總站和地震帶區(qū)的次聲、磁場(chǎng)、紅外輻射、大氣電離監(jiān)測(cè)網(wǎng)站構(gòu)成。根據(jù)以上五種定量測(cè)量參數(shù)和相關(guān)的判別準(zhǔn)則，可以對(duì)地震的震中位置、震級(jí)和時(shí)間對(duì)社會(huì)公眾發(fā)出震前48小時(shí)預(yù)警。

地震的起因

地球表面地殼產(chǎn)生震動(dòng)，為地球板塊界面斷裂震動(dòng)形態(tài)。98%的地震都是由太陽的磁能量爆發(fā)，擾動(dòng)性增大地球大氣磁場(chǎng)循環(huán)量，并進(jìn)而累積誘導(dǎo)增強(qiáng)地核的磁能量；當(dāng)?shù)睾舜拍芰糠e累超過一定量值后就會(huì)誘發(fā)地球核心產(chǎn)生磁能量無序爆發(fā)，對(duì)地球地殼界面內(nèi)的流態(tài)物質(zhì)——巖漿產(chǎn)生磁能量爆發(fā)推力，使流態(tài)物質(zhì)在磁能量爆發(fā)推力的作用下，向地球地殼界面運(yùn)動(dòng)并在同地球界面作用時(shí)，形成由地心外指的徑向內(nèi)應(yīng)力。

使地球地核產(chǎn)生磁能量無序爆發(fā)的外界原因通常包括以下幾種，即太陽表面常態(tài)存在的熱核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的電離粒子磁場(chǎng)輻射能量、黑子爆發(fā)、太陽耀斑、太陽系附近恒星爆發(fā)產(chǎn)生的磁能量射流，以及地球人類核能量爆炸產(chǎn)生的核磁能量等。

在以上誘發(fā)地核產(chǎn)生磁能量爆發(fā)的因素中，首推太陽磁能量對(duì)地球的影響最強(qiáng)。太陽上發(fā)生的熱核聚變爆發(fā)通常會(huì)產(chǎn)生功率為4×1026W/s電離粒子磁場(chǎng)能量輻射，其中有2×1017W/s的電離粒子磁場(chǎng)輻射能量射向地球，以400km/s的速度向地球移動(dòng)。太陽核聚變爆發(fā)產(chǎn)生的電離粒子磁場(chǎng)輻射能量在抵達(dá)地球后，同地球大氣磁場(chǎng)經(jīng)過28小時(shí)作用，即可以擾動(dòng)增量形態(tài)使全部常態(tài)地球大氣磁場(chǎng)，形成周期性增量態(tài)。增強(qiáng)后的大氣磁場(chǎng)在循環(huán)過程中，會(huì)在地球的具有強(qiáng)磁特性的地核內(nèi)形成磁能量聚集。太陽發(fā)生磁暴時(shí)，輻射能量及傳播速度還會(huì)大幅度增加，并加速地球地核的磁能量聚積。當(dāng)?shù)睾舜拍芰烤奂隽恐颠_(dá)到常態(tài)地球大氣磁能量總量的1/3時(shí)，地核體就會(huì)產(chǎn)生無序磁能量爆發(fā)。在之后的75小時(shí)，由地球的地核體產(chǎn)生的無序磁能量爆發(fā)中的磁能量，會(huì)對(duì)地球界面內(nèi)的流態(tài)巖漿爆發(fā)磁能量推力，形成地心徑向內(nèi)應(yīng)力，對(duì)地球界面板塊產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力沖擊抬升作用；再經(jīng)過48小時(shí)連續(xù)抬升作用，就可使地球板塊弱支撐點(diǎn)產(chǎn)生斷裂震動(dòng)。最強(qiáng)烈的太陽磁暴會(huì)在數(shù)天后引發(fā)地球地核的磁能量無序爆發(fā)并引發(fā)大地震，2004年12月26日的印度尼西亞7.9級(jí)海嘯地震就是如此。2011年3月11日的日本福島8.9級(jí)大地震也是如此。

地震的前兆

地質(zhì)學(xué)家和地震學(xué)家經(jīng)過長(zhǎng)期研究，已經(jīng)基本掌握了大陸板塊的構(gòu)成及地震帶的分布。對(duì)地震的預(yù)報(bào)應(yīng)特別注意依據(jù)地震的前兆，在廣大的地震帶中挑選出近期有可能發(fā)生地震的區(qū)域，予以特別重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。首先就是測(cè)試確定地球地殼界面中有可能產(chǎn)生斷裂的界面弱支撐力點(diǎn)位置。將要發(fā)生斷裂震動(dòng)的地球板塊界面間的弱支撐力點(diǎn)，在地球板塊界面旋轉(zhuǎn)漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力以及地心徑向內(nèi)應(yīng)力初始作用下，會(huì)產(chǎn)生界面間弱支撐力點(diǎn)的擠壓應(yīng)力摩擦，施放出小于20Hz的低頻次聲波；界面擠壓應(yīng)力摩擦還會(huì)產(chǎn)生弱紅外輻射，地心徑向內(nèi)應(yīng)力中的穿越性磁能量則會(huì)產(chǎn)生地磁泄露。根據(jù)以上三種物理量的綜合測(cè)試，可以初步確定地球板塊界面間的弱支撐力點(diǎn)位置。對(duì)這樣的地區(qū)應(yīng)在地震預(yù)報(bào)系統(tǒng)內(nèi)部加強(qiáng)中短期臨震強(qiáng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警。

地震的短期臨震前兆，首推地球南極或北極的磁通量密度增強(qiáng)，這是地核磁能量增加的最明確無誤的表征。當(dāng)極地的磁通量密度較平均量增加12～15高斯時(shí)，就表明地核的磁能量的增量已經(jīng)超過大氣磁能量的1/3，地核磁能量已經(jīng)進(jìn)入無序爆發(fā)狀態(tài)。一旦測(cè)到極地磁通量密度增加量達(dá)到上述數(shù)值，全球地震預(yù)測(cè)網(wǎng)就應(yīng)進(jìn)入連續(xù)緊急監(jiān)測(cè)預(yù)警期。

臨震前地球板塊界面間的弱支撐力點(diǎn)位置的前兆定量監(jiān)測(cè)，是最終確定震中位置、震級(jí)大小和地震時(shí)間的最重要依據(jù)。臨震前兆的主要內(nèi)容為：

1.次聲連續(xù)明顯增強(qiáng)。大陸板塊旋轉(zhuǎn)漂移時(shí)，在板塊界面擠壓應(yīng)力集中區(qū)會(huì)產(chǎn)生次聲；當(dāng)震前巖漿沖擊造成板塊抬升應(yīng)力時(shí)，更會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度次聲。次聲連續(xù)增強(qiáng)是判斷地震即將發(fā)生的重要指標(biāo)之一，次聲定向則是確定震中位置的最重要手段之一。

2.臨震前地球板塊界面間的弱支撐力區(qū)域的地磁泄露以及大氣電離現(xiàn)象。地心徑向內(nèi)應(yīng)力區(qū)的穿越性泄露磁能量，除了增強(qiáng)地面上的磁場(chǎng)強(qiáng)度外，還與施放區(qū)地球大氣磁場(chǎng)發(fā)生作用，在豎直方向?qū)ΤB(tài)地球大氣磁場(chǎng)進(jìn)行擾動(dòng)，產(chǎn)生弓形共振效應(yīng)能量波，使磁能量施放區(qū)內(nèi)的氣態(tài)分子產(chǎn)生電離，使從地面到地球大氣電離層的空間中的電離粒子量大幅增加。

唐山地震前的震區(qū)上空出現(xiàn)的沖天青色光柱，就是大氣電離現(xiàn)象引起的。磁能量泄露引起的大氣磁力線分布變化，是引起信鴿等依靠磁力線導(dǎo)航飛行的鳥類迷航的主要原因。汶川地震前兩天，在甘肅銅川放飛的400只成都信鴿，只有3只在地震當(dāng)天上午飛回成都。在2011年3月11日日本福島大地震的前兩天，美國(guó)人就在地震區(qū)上空測(cè)試到了強(qiáng)烈的地磁異常。

3.臨震前地震區(qū)的紅外輻射增強(qiáng)。地震區(qū)大陸板塊界面間旋轉(zhuǎn)弧向運(yùn)動(dòng)，會(huì)在擠壓應(yīng)力集中區(qū)摩擦生熱，產(chǎn)生弱紅外輻射，其波長(zhǎng)譜線段為0.77～14μm。地?zé)岬尼尫藕痛髿怆婋x相互作用，汶川地震前在四川震區(qū)上空引發(fā)了沖天紅光，在甘肅南部都可看到并被錄像記錄下來。

在極地監(jiān)測(cè)站發(fā)出地核磁能量爆發(fā)預(yù)警之后，地震震中區(qū)臨震前的次聲增強(qiáng)、地磁泄露、電離及紅外熱輻射增強(qiáng)四種現(xiàn)象一般會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，可據(jù)之作出判斷對(duì)社會(huì)發(fā)布震前48小時(shí)預(yù)警報(bào)告。

地震預(yù)報(bào)網(wǎng)的構(gòu)成及作用

能夠?qū)Φ卣鸬恼鹬形恢?、地震?jí)別、地震時(shí)間進(jìn)行預(yù)報(bào)的地震預(yù)報(bào)網(wǎng)主要由設(shè)置在地球南極或北極的磁通量密度監(jiān)測(cè)總站、在地震帶附近建立的次聲監(jiān)聽網(wǎng)站、在地震帶附近建立的地磁場(chǎng)強(qiáng)度、紅外輻射強(qiáng)度、大氣電離度測(cè)量網(wǎng)站、衛(wèi)星遙感及飛機(jī)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)以上五種數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析的地震預(yù)報(bào)總站組成。

其中磁通量密度測(cè)試總站用于測(cè)量極地磁通量密度，當(dāng)測(cè)出的極地磁通量密度Bs較平均值高出12～15高斯時(shí)，即表示地核磁能量聚集增量值達(dá)到常態(tài)地球大氣磁能量總量的1/3，全球的地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)均應(yīng)進(jìn)入戒備狀態(tài)。而地震帶附近建立的次聲監(jiān)聽網(wǎng)站，由多個(gè)間距為40～70千米CPt6jOkXslEZXrtT21c3WQ==的監(jiān)聽站組成，每個(gè)監(jiān)聽站擁有一個(gè)監(jiān)聽井，井深50～80米，內(nèi)裝次聲監(jiān)聽器對(duì)低于20Hz的次聲進(jìn)行監(jiān)聽。次聲監(jiān)聽器可以測(cè)出次聲的來源方向和強(qiáng)度，多個(gè)次聲監(jiān)聽器測(cè)出聲源方向的交叉點(diǎn)既是震中位置。地震帶附近建立的地磁場(chǎng)強(qiáng)度、紅外輻射強(qiáng)度、大氣電離度測(cè)量網(wǎng)站，主要提供這三種參數(shù)的定量變化速率，平常日用于中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的地殼界面弱支撐力點(diǎn)區(qū)的確定，更重要的是臨震前提供定量判據(jù)用于確定震前48小時(shí)警報(bào)發(fā)布時(shí)間。

地震預(yù)報(bào)的定量判據(jù)

地震預(yù)報(bào)網(wǎng)在工作的過程中，極地磁通量監(jiān)測(cè)站一旦發(fā)現(xiàn)磁通量密度較常態(tài)增加12～15高斯，表示地核磁能量進(jìn)入無序爆發(fā)狀態(tài)，地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)應(yīng)進(jìn)入震前123小時(shí)預(yù)警期。次聲監(jiān)聽器能夠聽到次聲的最低震級(jí)是4.5級(jí)，如果測(cè)得的次聲強(qiáng)度每小時(shí)持續(xù)增加5～7分貝，是一個(gè)強(qiáng)度級(jí)，即表示可能發(fā)生的地震震級(jí)在4.5級(jí)的基礎(chǔ)上增加一級(jí)；10～14分貝為二個(gè)強(qiáng)度級(jí)，表示在4.5級(jí)的基礎(chǔ)上增加二級(jí)，并可依此類推。

在連續(xù)6小時(shí)的穿越性磁通量密度測(cè)量中，磁場(chǎng)強(qiáng)度持續(xù)增加5～7高斯，為一個(gè)強(qiáng)度級(jí)；增加10～14高斯為二個(gè)強(qiáng)度級(jí)，并可依此類推。在連續(xù)6小時(shí)的紅外熱輻射強(qiáng)度測(cè)量中，對(duì)弱紅外輻射波長(zhǎng)為0.77～14μm譜線段的輻射量的增量進(jìn)行測(cè)量，6小時(shí)持續(xù)輻射增量達(dá)到5～7焦耳/平方米，為一個(gè)強(qiáng)度級(jí)；增加10～14焦耳/平方米為二個(gè)強(qiáng)度級(jí)，并可依此類推。

在連續(xù)6小時(shí)的大氣電離強(qiáng)度測(cè)量中，每千克大氣的電離量持續(xù)增加的庫(kù)侖值達(dá)到5～7C/kg，為一個(gè)地震強(qiáng)度級(jí)；10～14C/kg為二個(gè)強(qiáng)度級(jí)，并可依此類推。

預(yù)測(cè)試地球界面斷裂震動(dòng)前的次聲，磁通、紅外、電離四種量值，應(yīng)在初次監(jiān)聽到次聲連續(xù)增強(qiáng)后在同一初始時(shí)間開始進(jìn)行四種量的測(cè)試，在連續(xù)6小時(shí)的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，小于20Hz的低頻次聲波測(cè)試時(shí)間為1小時(shí)，位置點(diǎn)弱紅外輻射、穿越性磁能量、電離粒子三種量值測(cè)試時(shí)間同為6小時(shí)。四種量值的增量整數(shù)個(gè)數(shù)各為5～7個(gè)增量值時(shí)，可確認(rèn)為1個(gè)震動(dòng)強(qiáng)度級(jí)。四種量值的初始基準(zhǔn)量值為地球界面弱支撐力點(diǎn)區(qū)常態(tài)量值。由于初次監(jiān)聽到次聲的初始基準(zhǔn)量值對(duì)應(yīng)于4.5級(jí)地震，根據(jù)四種量值確定的震動(dòng)強(qiáng)度級(jí)均以4.5級(jí)為基準(zhǔn)遞加。震級(jí)的確定，原則上應(yīng)在四種量值均達(dá)標(biāo)后確定，個(gè)別量值達(dá)標(biāo)應(yīng)引起特別警戒，但不宜立即向社會(huì)公眾發(fā)布48小時(shí)警報(bào)；一旦四種指標(biāo)齊備達(dá)標(biāo)，則必須立即向社會(huì)公眾發(fā)布震前48小時(shí)警報(bào)。

（作者系北京航空航天大學(xué)教授）