多手段形變監(jiān)測與地震預(yù)報

張立成 薄萬舉

1 中國地震局第一監(jiān)測中心，天津市耐火路7號，300180

地震預(yù)報的歷史經(jīng)驗和震例總結(jié)十分重要，可為今后防震工作的開展提供重要參考。我國大地測量應(yīng)用于地震監(jiān)測預(yù)報始于1966年邢臺地震，至今已有55 a的歷史，已逐步形成多手段、多隊伍的地形變監(jiān)測格局，積累了大量監(jiān)測資料。地震中長期預(yù)測和中短期預(yù)報均有較為成功的實例，但錯報、漏報的例子也不少。目前的地震預(yù)報水平離防震減災(zāi)的實際需求還有很大差距，實事求是地總結(jié)成功的經(jīng)驗與失敗的教訓有利于我們獲得更加清醒的認知，以便不斷完善多手段地形變監(jiān)測的應(yīng)用，推動地震科研與預(yù)報事業(yè)不斷向前發(fā)展。

1 地震預(yù)測預(yù)報實踐中出現(xiàn)典型形變異常的簡要回顧

1.1 1975年海城MS7.3地震預(yù)報

1975-02-04海城MS7.3地震的預(yù)報是我國地震預(yù)報實踐的成功案例[1]。雖然成功具有一定的偶然性，但也得益于多種前兆觀測異常的預(yù)報。震前各種前兆觀測都出現(xiàn)了大量的異常[1]，圖1為金縣跨斷層短水準的異常變化[2]。

1.2 1987年新疆烏什MS6.4地震預(yù)報

1987-01-24新疆烏什6.4級地震發(fā)生前，烏什地震臺傾斜儀、應(yīng)變計等多種形變、應(yīng)變儀器均監(jiān)測出短臨前兆異常，最典型的是鉆孔應(yīng)變計旬均值的變化(圖2)。由圖可見，1986-10出現(xiàn)大幅度突跳變化，其幅度是前面最大變化量的100倍以上，楊志榮[3]根據(jù)該異常給出了準確的中短期及短臨預(yù)報意見。

1.3 2005年新疆烏什MS6.2地震預(yù)測

2004年中國地震局第一監(jiān)測中心根據(jù)新疆地區(qū)流動GNSS給出的水平位移場異常和多點地傾斜指向或背向震中的異常，經(jīng)綜合分析給出了新疆年度震情危險區(qū)預(yù)測[4]，預(yù)測研究報告收錄于中國地震局年度震情研究報告中，其中危險區(qū)的年度預(yù)測與2005-02-15新疆烏什6.2級地震有較好的對應(yīng)(圖3)。

1.4 2013年蘆山MS7.0地震預(yù)測

根據(jù)跨斷層趨勢異常和短期異常的跟蹤結(jié)果，結(jié)合重力異常和發(fā)震構(gòu)造的空間分布，蘇琴等[5]對蘆山2013-04-20 MS7.0地震的時間、地點和震級給出了較好的預(yù)測意見(圖4)。

1.5 1976年唐山MS7.8地震長期預(yù)測

1970年中央地震工作小組地震測量隊(先為中國地震局第一監(jiān)測中心)在唐山地區(qū)發(fā)現(xiàn)垂直形變異常。根據(jù)大地測量結(jié)果，在手工計算、繪圖情況下較為準確地給出唐山地震的預(yù)測結(jié)果[6](圖5)。該預(yù)測報告[7]指出，根據(jù)重復(fù)水準測量結(jié)果，柏各莊-唐山-灤縣一帶上升20～30 mm，唐山地區(qū)及渤海沿岸的上升很可能反映了未來一次大震。

圖5中標注了當時給出的地震危險區(qū)預(yù)測范圍，圖中最大的黑色圓圈為1978-07-28唐山7.8級地震發(fā)生的位置，右上角的小圈為1975年海城7.3級地震發(fā)生的位置，下面的橢圓形小圈位于郯廬帶上，無強震發(fā)生。

1.6 全國垂直形變圖給出的中長期強震預(yù)測結(jié)果

圖6是1998年中國地震局第一監(jiān)測中心給出的中國大陸強震危險區(qū)中長期預(yù)測結(jié)果。該研究主要依據(jù)全國大面積水準測量資料，并補充了部分局部地區(qū)的斷層形變測量和GPS測量資料[8-11]。

由圖6可見，危險區(qū)預(yù)測結(jié)果與實際地震發(fā)生位置對應(yīng)效果較好的有：2001-11-14昆侖山口西M8.1地震(I5)、2001-02-23雅江M6.0地震(I7)和2001-10-27永勝M6.0地震(I12)。此外，由于所用資料時間跨度較長，1996-11-19喀喇昆侖山口M7.1級地震(I13)、1998-01-10張北M6.2地震(I9)、1990-04-26青海共和M7.1地震(I11)和1996-02-03麗江M7.0地震(I12)發(fā)生地點也位于圖6給出的危險區(qū)范圍內(nèi)或附近。雖然上述地震發(fā)生在研究成果給出之前，但同樣顯示出大地測量對強震中長期形變前兆的映震能力。該成果獲得中國地震局2002年度防震減災(zāi)優(yōu)秀研究成果三等獎。

1.7 震后總結(jié)給出的典型形變異常

圖7(a)是楊國華等[12]處理大面積水準數(shù)據(jù)后給出的1989-10-19大同MS6.1地震前呈四象限分布的隆起異常圖，該異常圖剛給出就發(fā)生了大同地震；圖7(b)是大同地震震后總結(jié)出的兩次地震前山西帶跨斷層形變出現(xiàn)的群體性異常[10]；圖7(c)是1978-07-28唐山MS7.8地震前寧河跨斷層水準出現(xiàn)的巨幅形變異常；圖7(d)是1996-02-03麗江MS7.0地震前永勝跨斷層測量出現(xiàn)的巨幅形變異常；圖7(e)是1998-01-10張北MS6.2地震前張家口傾斜儀出現(xiàn)的異常，由于多次調(diào)整格值，完整的異常形態(tài)在震后總結(jié)中才得以發(fā)現(xiàn)；圖7(f)是南口5-4水準幾次異常突跳與附近幾次強震的對應(yīng)情況[10,13]；圖7(g)是2008-05-12汶川MS8.0地震前耿達跨斷層水準出現(xiàn)的異常；圖7(h)是震后總結(jié)發(fā)現(xiàn)的汶川地震發(fā)生前震中附近存在的顯著長時間相對隆起異常[14]。

從上述成功預(yù)測的震例及震后總結(jié)發(fā)現(xiàn)的典型形變異常不難看出，對于形變觀測場地附近區(qū)域發(fā)生的較多強震，震前往往會出現(xiàn)典型的大幅度地形變異常，有的還給出一定程度的預(yù)報，但有減災(zāi)實效的地震預(yù)報實例極少?；仡櫠嗄暾鹎楦櫟倪^程可以發(fā)現(xiàn)，這些突出的異常大多在地震發(fā)生前就已經(jīng)被注意到。但經(jīng)落實，這些異常都或多或少存在可疑的干擾源，經(jīng)專家論證后，多數(shù)異常在地震發(fā)生前就被定性為干擾。干擾引起的異常很多，若虛報過多則會引起不必要的社會恐慌，給人們的生命財產(chǎn)造成威脅。薄萬舉等[13]提出一個顧及到當前噪聲及構(gòu)造活動本底水平差異的指標K值用于地震預(yù)測。指標K>5的巨幅形變異常通常是極少出現(xiàn)的，但對應(yīng)了數(shù)次MS7.0以上的地震[13]，反過來尋找有巨幅形變異常卻沒有強震發(fā)生的反例卻只有2例：一例是2008年汶川MS8.0地震前大口子跨斷層短水準出現(xiàn)的形變異常，該異常雖然在時間上與汶川地震對應(yīng)，但按K值標準計算，震中距超出60 km，應(yīng)按虛報處理，故列入反例統(tǒng)計；第二例是2009年前后山西臨汾地震臺跨斷層水準出現(xiàn)的巨幅形變異常，該地區(qū)在經(jīng)過幾次MS4.0小震后重新恢復(fù)平靜，至今無強震發(fā)生。目前來看，按照K>5的標準，巨幅形變異常指標對MS7.0以上地震的報準率大于虛報率。由此可見，異常出現(xiàn)后落實干擾是必要的，但異常與干擾之間存在的辯證關(guān)系亦不容忽略[15-16]。

2 形變前兆異常的多手段監(jiān)測與識別

本文回顧了一些形變異常與地震的對應(yīng)情況，可以發(fā)現(xiàn)，地震預(yù)報情況并不理想，尤其是強震、大震，虛報造成的損失是每一名地震科研人員以及決策者必須考慮的。實際上，干擾與地震前兆異常存在著伴生、觸發(fā)、抵消、抑制、疊加等十分復(fù)雜的辯證關(guān)系[15-16]。不難發(fā)現(xiàn)，比較成功的預(yù)報大多都綜合了2種或2種以上手段觀測到的異常。因此，我們觀測到異常后，既要進行現(xiàn)場調(diào)查與研究，了解可能存在的干擾，同時又要通過歷史資料的類比分析等，研究類似的干擾是否足以引起觀測到的異常，尤其是巨幅形變異常。按照非線性動力學的觀點，干擾很可能起到觸發(fā)巨幅形變異常的最后決定性作用，巨幅形變異常本質(zhì)上可能反映的就是強震孕育到臨界狀態(tài)時對外界微小擾動的一種響應(yīng)。強震預(yù)測的正確性是有效減災(zāi)的關(guān)鍵，因此為了增加報準率、減少虛報，對于中長期預(yù)測給出的危險區(qū)，需加強形變前兆的多手段監(jiān)測與識別，如重力、地傾斜、跨斷層水準、跨斷層基線、區(qū)域水準、跨斷層GNSS、InSAR、跨斷層綜合觀測剖面等，同時還可以加入一些其他的前兆觀測手段，達到優(yōu)勢互補的目的。

3 形變監(jiān)測與異常分析中幾個值得注意的問題

3.1 中強地震預(yù)測效果好，強震預(yù)測效果差

強震預(yù)測效果比中強震差這個問題不僅存在于形變觀測手段中，也存在于大多數(shù)其他前兆觀測手段中，其根本問題是樣本數(shù)的統(tǒng)計。目前地震預(yù)報還離不開經(jīng)驗總結(jié)，尋找規(guī)律更離不開數(shù)理統(tǒng)計(如各種異常對應(yīng)情況的統(tǒng)計、信息合成中的統(tǒng)計等)，而統(tǒng)計就需要震例樣本，大樣本統(tǒng)計出來的結(jié)果才有較高的可信度?，F(xiàn)有的觀測資料中強震的樣本數(shù)很少，往往不具有統(tǒng)計意義，為增加樣本數(shù)，只好降低統(tǒng)計震級的下限。這樣統(tǒng)計出的規(guī)律只能代表多數(shù)的中強地震，遇到大震往往失效。

3.2 異常標準的量化

將異常進行量化方可便于推廣應(yīng)用，但絕對的量化標準容易走進誤區(qū)。如中國東部地殼活動強度遠小于西部，本底正?；顒铀较嗖詈艽螅惓Ｅ卸ǖ牧炕瘶藴示筒荒芟嗤?。對同一個地區(qū)而言，如果很長時間沒發(fā)生地震，那么地殼應(yīng)力會在積累過程中達到一個穩(wěn)定的閉鎖狀態(tài)，形變量級一般不顯著；但當應(yīng)力積累到臨界狀態(tài)，產(chǎn)生預(yù)破裂、預(yù)滑移時，就可能觀測到顯著的形變異常，此時得到的異常指標用于類似區(qū)域首發(fā)地震尚可，但無法用于后續(xù)的繼發(fā)地震。因為首發(fā)地震破裂使該區(qū)域的地殼活動變得十分劇烈，判定形變異常的標準必須隨之改變。前面提到的文獻[13]中的指標K，已在一定程度上考慮了這一問題。

3.3 新方法與場地改造

地震預(yù)報的進步離不開先進科學技術(shù)的支撐，如GNSS、InSAR等。但在新方法、新技術(shù)尚未完全取代老方法之前，不可中斷資料的積累。與形變觀測相關(guān)的場地改造存在的類似問題可能更加顯著，幾十年來都沒有對應(yīng)地震的觀測場地。因為對于至少數(shù)百年復(fù)發(fā)周期的強震來說，幾十年無顯著的異常變化是非常常見的，不足以否定其對未來強震的映震能力。若要進行改造，只能是在保證原有觀測連續(xù)、穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進行完善型改造，否則幾十年積累的數(shù)據(jù)及其反映的形變規(guī)律在新改造的場地上將難以發(fā)揮作用，因為新資料的變化規(guī)律未知，新的異常難以判斷。

4 結(jié) 語

地殼形變與地殼破裂發(fā)震之間的物理關(guān)系最為密切，地形變測量是獲取地震前兆異常的主要手段之一。地殼不是剛體，破裂前必有應(yīng)力的異常變化和伴隨的異常變形，這種異常變形信號可以通過地形變測量捕捉到，從而對強震進行一定程度的預(yù)測。本文圍繞地形變手段收集匯總了若干典型的形變異常、與強震對應(yīng)的情況和用于地震預(yù)測、預(yù)報成功的實例，通過多年實踐，提出幾個值得注意的問題，希望為今后的地震預(yù)測工作提供參考。

實驗證明，巖石破裂前形變的時空分布具有一定的復(fù)雜性，地殼本身的構(gòu)造及物性又具有明顯的各項異性特征，加上各種自然和人文的干擾因素，使得真實的地形變時空分布更加復(fù)雜，在人力、物力有限的前提下，在恰好的時空敏感點獲取一次地震前的顯著異常形變并非易事。盡管如此，地震預(yù)報工作者也要堅定信念，勇于鉆研，為早日攻克地震預(yù)報難關(guān)貢獻力量。