日月引力對地震的觸發(fā)作用與激光監(jiān)測探討

張峰

摘 ? 要：地震是累積應(yīng)力快速釋放的過程;本文通過對地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、太陽、月球等星體對地位置周期變動，引起的對地萬有引力、慣性力的周期變化分析，指出日地、月地引力，地球自轉(zhuǎn)速度變化、大西洋中脊擴(kuò)張是造成地球板塊邊沿或內(nèi)部產(chǎn)生錯動、破裂的直接因素;可以通過激光、光電、地電等技術(shù)手段對地震前發(fā)生的預(yù)滑、震顫等信息進(jìn)行監(jiān)測，獲得地震前兆彈性應(yīng)力波的產(chǎn)生方位﹑距離、強(qiáng)度、周期等信息，從而確定地震可能發(fā)生的地理區(qū)域，實現(xiàn)地震震前預(yù)測以減少地震引發(fā)的各種災(zāi)害。

關(guān)鍵詞：地震前兆 ?激光測距 ?板塊運動 ?彈性應(yīng)力波 ?引力異常

中圖分類號：P315 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（a）-0038-05

Abstract： Earthquake is a process of rapid release of cumulative stress; The Mid-Atlantic ridge continues to expand， squeezeing the other plates of the crust on both sides to smoothly into the Pacific plate， while the Earth's rotation， revolution， and the position of the sun， the moon change to the ground， causing the gravitational force changes to the ground， directly cause the deformation between the crust rock layers， and the displacement and rupture occur at the edge or inside of the crustal plate， and the release of huge energy in a short time causes earthquakes;Snail-shift， tremor and other phenomena exist before the earthquake，bringing the elastic deformation pressure wave release process of the crustal plate fault transitions from steady state to unstable state. The elastic stress wave propagates around the crustal lithosphere medium . Localized rock crustal deformation caused by the elastic stress wave， in a certain intensity can be monitored by real-time monitoring of laser， photoelectric， geoelectric and other technical monitoring methods setting up in the deformation region of the crust bedrock ; Through monitoring data of different region， Networking analysis can calculate the azimuth， distance， intensity and other information of the elastic stress wave， so help us to determine the geographical area where the earthquake will occur， and carry out special monitoring of other earthquake precursor anomaly information in the area to determine whether to issue earthquake early warning information to reduce the earthquake-induced disasters in all aspects.

Key Words： Causes of the earthquake; Earthquake precursor; Laser Ranging; Tectonic plate motion; Elastic stress wave; Gravitation anomaly

地震是一種嚴(yán)重自然災(zāi)害，全世界每年要發(fā)生12000次2級以上的地震，絕大多數(shù)太小或太遠(yuǎn)，以至于人們感覺不到，其中6.5級以上的大地震100次左右。地震預(yù)報目前仍然是世界難題，1976年7月28日的唐山地震及2008年5月12日的汶川地震都未能獲得提前預(yù)測。

現(xiàn)有的旱震﹑磁暴﹑可公度法等理論都很難在臨震前期做出地震三要素短期準(zhǔn)確預(yù)報，地震的成因到現(xiàn)在還不是很明朗。本文從太陽﹑月球?qū)Φ厍虻貧ぐ鍓K運動的萬有引力作用方面作了部分分析，認(rèn)為太陽﹑月球在地球自轉(zhuǎn)下對地球地殼板塊的周期引力作用是加速各板塊巖石圈相互擠壓、巖石斷裂發(fā)生地震的最直接觸發(fā)來源，大西洋中脊擴(kuò)張是板塊擠壓運動引起地殼彈性形變的長期動力，結(jié)合部分已發(fā)生的地震實例與已有報道的引力異常數(shù)據(jù)等得出地衛(wèi)激光測距、地殼基巖實時激光光電數(shù)據(jù)監(jiān)測等可獲得地殼形變、地震前兆等有效信息，從而實現(xiàn)對地震的預(yù)測預(yù)報。

汶川地震有關(guān)周邊地區(qū)地殼隆起抬高的材料，報道一：恩施市白果鄉(xiāng)觀音塘約8萬m3蓄水突然消失。2008年4月26號早上7點多鐘，塘里突然傳來轟鳴聲，不到5h，一池碧水全部不見了[1]。直徑近百米，深數(shù)十米的池塘現(xiàn)了底，水全部消失。村民表示，1959年出現(xiàn)大干旱時，許多樹木都干枯死亡，池塘里的水都沒干，沒折?！睋?jù)《白果鄉(xiāng)志》記載，這種現(xiàn)象自解放以來出現(xiàn)過3次，時間分別是在1949年、1976年和1989年。這個池塘的四次干涸，分別發(fā)生了1950年雅魯藏布江大地震，8.5級;1976年松潘（離汶川很近），兩次7.2級大地震;1989年小金（也緊挨著汶川）6.3級強(qiáng)地震;本次8.0級大地震。報道二，恩施白果鄉(xiāng)村觀音塘又開始漲水，5月14日，記者接到恩施市白果鄉(xiāng)村民報料，稱前段時間因不明原因消水的觀音塘（本報曾報道），現(xiàn)在又開始漲水了。記者現(xiàn)場看到，原來已干涸的觀音塘，現(xiàn)在的確蓄了不少水，水面距地面僅相差2m左右。附近村民向興紅介紹，觀音塘是從5月12日下午開始蓄水的[2]。恩施市白果鄉(xiāng)處于汶川正東偏南，距離汶川直線距離560km，觀音塘大旱不干，說明塘底連有地下河，汶川地震前水漏走，地震后連通的地下河水又開始回流，說明5.12汶川地震前該區(qū)域地殼巖石層已經(jīng)變形上拱數(shù)10m，對汶川斷層帶形成強(qiáng)擠壓后應(yīng)力一直未得到有效釋放，在5月12日初八日，太陽﹑月球引力引起的地殼形變累積達(dá)到巖層斷裂臨界點以至處于汶川斷層沿線的巖石板塊斷裂，從而亞洲板塊、太平洋板塊與歐亞板塊、印度洋板塊獲得的進(jìn)動空間得到釋放，恩施市所屬的這部分地殼巖石層又回落至原高度附近，觀音塘池塘才又獲得連通的地下河水回流。

日本311地震的發(fā)生過程與汶川地震近似，發(fā)生時間2011年3月11日下午2時46分（日本時間），農(nóng)歷二月初七，9.0級。311地震發(fā)生時太陽運行至東亞板塊正上方，對地震斷層帶西部的歐亞板塊﹑印度洋板塊形成方向向東的牽引力，對斷層帶東部的太平洋板塊形成方向向西的牽引，中午時分后月球?qū)μ窖蟀鍓K的牽引作用力由向東轉(zhuǎn)為向西，月球?qū)μ窖蟀鍓K的垂直引力升力作用引起地殼上升形變增大了另一側(cè)太陽引力力矩，在太陽引力牽引作用下斷層帶兩側(cè)太平洋板塊﹑歐亞板塊俯沖擠壓，板塊局部強(qiáng)受力引起的形變強(qiáng)度超過板塊承受力，發(fā)生板塊斷裂，從而引發(fā)地震海嘯。

2.2 淺源地震中張力拉伸型地震分析

張力拉伸型地震板塊4﹑板塊5﹑板塊6如圖3示，板塊6一邊支撐在板塊5邊沿上，另一邊抵在板塊4斷層帶上，板塊6為以往地殼斷裂引起單端上升的斷層地塊，下部為空層區(qū)，無有效支撐。板塊6受地心引力變形逐漸彎曲下沉，同時板塊4﹑板塊5在太陽﹑月球周期引力作用下的板塊垂直方向的運動隆起降落﹑水平方向運動張張合合，板塊6受力較大位置受微動疲勞影響巖石剛度緩慢下降，下垂破裂。板塊6受板塊5支撐的一端在長期微動或受其他地震巖層移位影響的情況下逐漸滑入板塊5斷層內(nèi)板塊6下面的空區(qū)，這個階段如果遇板塊4﹑板塊5受比較大的分離張力，支撐板塊6的板塊5邊沿上的支點破碎快速下滑，則板塊6將直接掉入下部的空區(qū)，從而引發(fā)塌陷型地震。

以唐山地震為例，發(fā)生時間1976年7月28日3時42分53.8秒，農(nóng)歷七月初二，屬于典型的張力塌陷型地震，唐山地震前的河北邢臺地震與渤海灣地震、遼寧海城地震形成了板塊進(jìn)動空間，給唐山塌陷型地震的觸發(fā)提供了必要的地殼斷層空隙空間條件。唐山地震為塌陷型地震的證據(jù)：邱澤華等曾經(jīng)注意到唐山地震造成了大規(guī)模的地面塌陷，最新的研究揭示了這種塌陷與一條近百公里長的斷層活動有直接聯(lián)系，需要說明的是， 這些大規(guī)模的塌陷區(qū)不是煤礦采空區(qū)塌陷的結(jié)果，唐山地區(qū)的煤礦都分布在震區(qū)的北部一帶， 而這些大規(guī)模的塌陷區(qū)位于遠(yuǎn)離煤礦的南部地區(qū)[3]。

2004印尼蘇門答臘9級地震，地震發(fā)生時間農(nóng)歷十五，2004年南亞地震（一般簡稱印度洋海嘯或南亞海嘯）發(fā)生于2004年12月26日星期二時間0時58分55秒（雅加達(dá)，曼谷當(dāng)?shù)貢r間為星期日），泰國《民族報》2005年1月1日報道說，海嘯26日席卷泰國南部之時，南素林島上一個漁村的181名村民早已逃到了高山上的一座廟中，從而躲過了一場劫難?！伴L輩們告訴我們，如果（海）水退去的速度很快，那么它再次出現(xiàn)時的數(shù)量會和消失時一樣多?！?5歲的村長薩爾貿(mào)·卡薩雷說，他們知道許多世代流傳下來的傳說。從以上報道海水先消退后出現(xiàn)海嘯，也可以初步判斷印尼蘇門答臘9級地震很大程度上可能為張力拉伸斷裂塌陷型地震。

3 ?地殼形變可監(jiān)測的地質(zhì)基礎(chǔ)

3.1 地殼巖石圈的物質(zhì)分層

按現(xiàn)在的地質(zhì)學(xué)劃分，地殼被分成六大板塊，地殼巖石圈以下是軟流層，各板塊可以看作是“漂浮”在軟流圈上的，在地心引力與地球自轉(zhuǎn)慣性作用下隨地球運動。地殼分為上下兩層，上層化學(xué)成分以氧、硅、鋁為主，平均化學(xué)組成與花崗巖相似，稱為花崗巖層，亦有人稱之為“硅鋁層”，下層富含硅和鎂，平均化學(xué)組成與玄武巖相似，稱為玄武巖層，有人稱之為“硅鎂層”，軟流層以上的地幔是巖石圈的組成部分，地幔上部的巖石部分鎂含量極高，所以稱為硅鎂層;莫霍面存在于地殼與上地幔之間。

地動信號及微斷裂信號以彈性應(yīng)力波形式在地殼巖石層中向四周擴(kuò)散傳播，因地殼巖石圈上下層及地幔上部﹑莫霍面等所含物質(zhì)成分不同，這就使得彈性應(yīng)力波在不同地層物質(zhì)中傳播速度發(fā)生了變化，有快有慢，通過現(xiàn)有科技手段對這種微斷裂信號的彈性應(yīng)力波進(jìn)行監(jiān)測分析計算也就可以得出彈性應(yīng)力波的發(fā)生方位﹑距離信息，從而確定可能發(fā)生地震的具體區(qū)域，對該區(qū)域進(jìn)行震前重點監(jiān)測與預(yù)報。

3.2 地震發(fā)生力學(xué)過程的可觀測性

21世紀(jì)初觀測到地震前存在預(yù)滑﹑震顫﹑以及前驅(qū)波等現(xiàn)象，地震前地殼巖石圈變形應(yīng)力過程存在穩(wěn)態(tài)﹑亞穩(wěn)態(tài)﹑亞失穩(wěn)態(tài)﹑失穩(wěn)態(tài)4種狀態(tài)[4];在穩(wěn)態(tài)階段，斷層處于彈性變形階段，只要外力撤除，變形立即恢復(fù);在亞穩(wěn)態(tài)階段，斷層處于偏離線性階段，外力撤除，一部分應(yīng)變立即恢復(fù)，另一部分以緩慢方式逐步恢復(fù)，而局部損傷區(qū)無法恢復(fù);進(jìn)入亞失穩(wěn)階段，斷層已經(jīng)處于以釋放為主的變形階段，外載的變量已不足以彌補(bǔ)斷層的應(yīng)力釋放水平，斷層由準(zhǔn)靜態(tài)釋放轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢赡孓D(zhuǎn)的準(zhǔn)動態(tài)釋放，最終失穩(wěn)，地震不可避免的發(fā)生。經(jīng)過多年努力，馬瑾團(tuán)隊在實驗室?guī)r石壓裂實驗中，根據(jù)傳感器接收到的信號終于能夠“提前一秒鐘實現(xiàn)巖樣破裂失穩(wěn)的預(yù)報”。地殼的變動比實驗室?guī)r石受力變化較為緩慢，穩(wěn)態(tài)范圍內(nèi)的地殼形變變動不會發(fā)生地震，進(jìn)入亞失穩(wěn)階段后地震發(fā)生已不可避免。地殼巖石斷裂由亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)為亞失穩(wěn)態(tài)再轉(zhuǎn)為失穩(wěn)態(tài)需要經(jīng)歷一個時間間隔，這個時間間隔與地殼板塊形變的受力狀況直接相關(guān)，而地殼板塊受到的作用力周期又與太陽﹑月球周期運動給予的引力作用力強(qiáng)相關(guān)。這也就意味著我們可以通過現(xiàn)有科技手段對地殼巖石斷裂由亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)為失穩(wěn)態(tài)這一過程發(fā)出的地層信號進(jìn)行監(jiān)測，從而提前幾天或幾個小時對即將發(fā)生的地震進(jìn)行預(yù)警預(yù)報。

4 ?用于地殼形變變動的激光光電監(jiān)測方法

4.1 地衛(wèi)激光測距

光束發(fā)散角0.5mrad，脈寬百皮秒量級，輸出能量數(shù)十毫焦的重頻脈沖激光器已可批量生產(chǎn)，通過激光擴(kuò)束壓縮技術(shù)激光束的發(fā)散角可以控制在0.1mrad以內(nèi)，通過同軸大孔徑觀瞄接收系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)可以方便的實現(xiàn)對數(shù)千公里高度的衛(wèi)星進(jìn)行激光精確測距，配合高精度的數(shù)字計時電路可實現(xiàn)的測距精度在厘米量級，這對于地殼形變的測量精度要求已經(jīng)足夠。美國在1976年5月與1992年10月發(fā)射了兩顆Lageos地球動力學(xué)衛(wèi)星，軌道高度5960km，每顆衛(wèi)星裝載426個角錐反射器，利用角錐棱鏡對光束的同向全反特性用以反射由地球上不同站臺發(fā)射的激光束。

地衛(wèi)激光測距中，激光需往返經(jīng)過大氣層后才能返回接收器，激光路經(jīng)的大氣受氣候﹑重力等影響其折射率大于1，從而使測距精度受到大氣引起的光路彎曲﹑時間延遲等影響，數(shù)值通常在米級以上，通過雙波長激光或多波長激光測距回波時差的數(shù)據(jù)處理可以對大氣色散引起的測距數(shù)值誤差進(jìn)行校正。

因衛(wèi)星運行軌道會受到地球地殼形變及地球內(nèi)部運動引起的微重力變化的影響，單個地面激光站點對衛(wèi)星測距獲得地面形變的測算數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確，衛(wèi)星軌道會隨所受地表重力的變化而微變動。為精確測量地殼的運行與變化需要同時進(jìn)行地面上多個不同板塊上不同激光站點對衛(wèi)星的測距數(shù)據(jù)，因衛(wèi)星相對地面的絕對位置在快速變化，這時就得根據(jù)衛(wèi)星相對地面的運行速度來計算多個激光站點對衛(wèi)測距的光束同步到達(dá)衛(wèi)星的時間精度，假如衛(wèi)星對地繞行速度為10km/s，那么對于厘米量級的測距精度要求則激光光束同時到達(dá)衛(wèi)星需達(dá)到us的時間同步精度，這就對地面激光發(fā)射點的同步工作提出了嚴(yán)格要求。要解決這個難點，就得把負(fù)責(zé)測距反射的衛(wèi)星發(fā)射到約3.6萬km高度的地球同步軌道，或者通過地殼斷層區(qū)域高空懸停反射裝置進(jìn)行斷裂帶兩側(cè)的多點地形測距，這又給激光測距的激光光電設(shè)備設(shè)計精度及高空反射工作裝置提出了更高的要求。

4.2 地殼彈性應(yīng)力波的激光干涉測量

利用激光干涉儀可以較容易的實現(xiàn)λ/100波長精度的縱向尺寸變化測量，東京理工學(xué)院通過對一臺50m改進(jìn)型邁克耳遜干涉儀干涉條紋的漲落分析發(fā)現(xiàn)存在以一天為周期的振動，峰—峰振幅為幾個μm[5]，數(shù)據(jù)表明以24h為周期的日月運動對地球地殼巖石圈形變的影響可以通過改進(jìn)的激光干涉儀測定出來，而作為地震前兆的巖石層微斷裂引起的地殼形變信號的測量可能更為明顯。因彈性應(yīng)力波在地層不同介質(zhì)中傳播速度的差異，監(jiān)測站點距離震中距離L可由下面的公式計算

L=V1×t1;L=V2×t2;

V1﹑V2為彈性應(yīng)力波在不同地層介質(zhì)中的傳播速度， t1﹑t2為彈性應(yīng)力波到達(dá)監(jiān)測站點的時間，我們在同一站點可以監(jiān)測到的只有t1﹑t2兩者之間的時差，

通過測量（t2-t1）的時間間隔值加上對已有的發(fā)生地震震中L的測算，便可得出各個不同震點相對監(jiān)測站點的數(shù)值，從而為以后地震的監(jiān)測作出計算。震中位置的測量也可由位于兩個不同區(qū)域的激光干涉儀監(jiān)測布點測到的應(yīng)力波傳播方向交點得出，每個干涉儀監(jiān)測點可通過兩垂直方向的應(yīng)力波測量，得出彈性應(yīng)力波的來源方向，按理論兩個監(jiān)測點探測到的彈性應(yīng)力波方位交點應(yīng)該就是巖石層亞穩(wěn)態(tài)到失穩(wěn)態(tài)預(yù)斷裂應(yīng)力波生成點，即可能發(fā)生地震的震中位置。

通過對監(jiān)測到的彈性應(yīng)力波強(qiáng)度﹑持續(xù)時間的數(shù)據(jù)積分，同時計入發(fā)震距離等參數(shù)的綜合分析，可以得出地震震級強(qiáng)度信息，由探測到的彈性應(yīng)力波發(fā)生時間加上日月對地引力變動周期等確定可能的地震發(fā)生時間，從而得出地震發(fā)生的時間﹑地點﹑震級三要素。

4.3 地殼彈性應(yīng)力波的地電測量

因地電測量受埋線位置﹑降水﹑季節(jié)﹑其他電磁信號干擾等的影響，所測前兆數(shù)據(jù)具有不穩(wěn)定性﹑規(guī)律不明顯等特點。多地地震前的基巖地電監(jiān)測數(shù)據(jù)表明不論是擠壓型地震還是張力拉伸型地震，在地震前的數(shù)小時地電監(jiān)測地電阻率數(shù)據(jù)大都是急劇下降的，這表明在實驗室模擬下的巖石的拉伸或擠壓對巖石形變本身的電阻率數(shù)據(jù)影響在實際監(jiān)測中起到的作用不大。而激光監(jiān)測手段受外界影響小，尤其在地殼突變的反饋方面更為準(zhǔn)確，因此地電監(jiān)測方法對地震的預(yù)測研究需結(jié)合激光監(jiān)測的各項數(shù)據(jù)做比對分析，以獲取更準(zhǔn)確的預(yù)測數(shù)據(jù)。

5 ?引力異常現(xiàn)象對日月引力引起地殼非線性形變的支持

1954年，法國經(jīng)濟(jì)學(xué)家和物理學(xué)家莫里斯·阿萊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)巴黎出現(xiàn)日食時，正在擺動的鐘擺出現(xiàn)無規(guī)律的晃動。由于地心引力以及地球自轉(zhuǎn)，錘擺會來回擺動。在開始發(fā)生日食時，錘擺的擺動方向發(fā)生劇烈變化。1995年10月印度科學(xué)家米什拉和拉奧利用重力儀在多拉吉對日全食進(jìn)行了觀測，發(fā)現(xiàn)在食甚前后約一個小時內(nèi)重力加速度有12微伽的變化，發(fā)現(xiàn)重力谷現(xiàn)象。1997年3月中科院地質(zhì)與地球物理研究所的湯克云、武傳真等科學(xué)家，利用重力儀對發(fā)生在漠河的日全食進(jìn)行了觀測，發(fā)現(xiàn)了“雙重力谷”現(xiàn)象?？茖W(xué)家共在大約20次全日食過程中對引力起伏波動進(jìn)行了測量。

這些日全食時測得的重力變化都未考慮因地面高度的形變引起的變化，有些觀點認(rèn)為地面幾十厘米或米量級的升降變化會立即引發(fā)地震，但參考恩施市白果鄉(xiāng)觀音塘汶川地震前地面高度數(shù)十米的變化并未超出當(dāng)?shù)氐貧r石斷裂承受范圍，因此日全食時地面高度局部形變不足以引發(fā)地震。當(dāng)然上述測量到的引力異常是否確因地面高度變化引起還需通過日全食時多點地衛(wèi)激光同步測距數(shù)據(jù)分析結(jié)果確認(rèn)。

6 ?結(jié)語

地震預(yù)報研究是一個大系統(tǒng)工程，需要多學(xué)科、多部門集思廣益，多路探索，本文從太陽﹑月球?qū)Φ匾Φ淖兓p大西洋中脊擴(kuò)張等方面分析了對地殼板塊運動的影響，指出通過激光測距﹑激光干涉測量等手段可以實現(xiàn)對地殼的大范圍形變﹑預(yù)滑微斷裂等多參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，通過單監(jiān)測點可以獲得基巖形變方位﹑強(qiáng)度與彈性應(yīng)力波在不同地層介質(zhì)中的傳播延時信息，通過兩個以上監(jiān)測點的數(shù)據(jù)分析可以明確地殼巖石微斷裂區(qū)域的地理位置，從而為地震預(yù)報做充足準(zhǔn)備。

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