活動(dòng)地塊理論框架下的地震物理預(yù)報(bào)展望與探測(cè)儀器設(shè)備

石冬

（河南省濮陽市范縣防震減災(zāi)中心，河南 濮陽 457500）

目前，全球性地震災(zāi)害活動(dòng)的程度日益加劇，我國(guó)也是頻繁發(fā)生嚴(yán)重地震災(zāi)害的國(guó)家，故其要面對(duì)更加嚴(yán)峻的防震減災(zāi)形勢(shì)。

20 世紀(jì)后期，基于國(guó)家的大力扶持，我國(guó)科學(xué)家在有機(jī)聯(lián)系地震地質(zhì)、地球物理、大地形變和前人研究成果的基礎(chǔ)上，嘗試對(duì)我國(guó)大陸強(qiáng)震活動(dòng)規(guī)律提出了解釋性假說，利用這種理論，可作短臨地震預(yù)測(cè)。提出了用電磁波群時(shí)延差測(cè)定深層電導(dǎo)率變化的方法，并研制出了探測(cè)儀，積累觀測(cè)資料，為今后研究中國(guó)活動(dòng)構(gòu)造與強(qiáng)震預(yù)測(cè)提出了發(fā)展方向。

1 強(qiáng)震機(jī)理研究與進(jìn)展

我國(guó)出現(xiàn)的地震基本都屬于板內(nèi)大陸地震，而對(duì)其機(jī)理的研究和預(yù)測(cè)也堅(jiān)持不懈地保持了數(shù)十年。我國(guó)地震預(yù)測(cè)研究最具代表性的事件為1966 年3 月的邢臺(tái)地震，它成功揭開了我國(guó)地震基礎(chǔ)研究的大幕。1974 年，地質(zhì)學(xué)家張文佑根據(jù)地質(zhì)力學(xué)理論，汲取地槽-地臺(tái)說與板塊構(gòu)造學(xué)說的相關(guān)知識(shí)，提出了一種斷塊構(gòu)造理論。該理論的核心是對(duì)巖石圈進(jìn)行斷裂分割，進(jìn)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(gòu)造產(chǎn)生了多級(jí)、多層與多起的顯著特征。參考其規(guī)模與邊界斷裂程度獲得四個(gè)級(jí)別的斷塊，即巖石圈斷塊、地殼斷塊、基底斷塊和蓋層斷塊。對(duì)應(yīng)這部分?jǐn)鄩K還形成了四級(jí)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(dá)莫霍面的地殼斷裂、切穿地殼花崗巖層后到達(dá)康氏界面的基地?cái)嗔岩约俺练e蓋被切穿直達(dá)結(jié)晶基底的蓋層斷裂。斷面附近區(qū)域的斷塊易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，且圍繞斷塊的上下面形成層間滑動(dòng)。由于巖石圈斷裂構(gòu)造被全球統(tǒng)一構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用，以及原始菱形剪切斷裂網(wǎng)格和發(fā)生不規(guī)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(gòu)造帶來發(fā)育限制，此外，淺層構(gòu)造也容易對(duì)深層構(gòu)造帶來不同程度的影響。

2003 年的“大陸強(qiáng)震機(jī)理與預(yù)測(cè)”項(xiàng)目提出了活動(dòng)地塊假說，系統(tǒng)描述了我國(guó)大陸目前構(gòu)造變形的基本規(guī)律，深入探究了大陸強(qiáng)震的形成機(jī)理和預(yù)測(cè)模式。作為獨(dú)立地質(zhì)單元的活動(dòng)地塊，其在大型晚第四紀(jì)活動(dòng)構(gòu)造的影響下遭遇分割與圍限，同時(shí)發(fā)生了比較集中的運(yùn)動(dòng)。地塊內(nèi)穩(wěn)定性持續(xù)增強(qiáng)，邊界帶構(gòu)造活動(dòng)異常劇烈，加之各個(gè)層次的拆離帶或滑脫帶有效控制深部區(qū)，故在邊界帶出現(xiàn)了多數(shù)7 級(jí)以上強(qiáng)震，致使地塊運(yùn)動(dòng)高度統(tǒng)一。我國(guó)大陸早期包括5 個(gè)一級(jí)活動(dòng)塊體與若干個(gè)次一級(jí)活動(dòng)地塊。

我國(guó)大陸的活動(dòng)地塊呈現(xiàn)出多個(gè)顯著特征：新生性?；顒?dòng)地塊形成于晚新生代，且延伸發(fā)展到目前，這部分地質(zhì)單元始終保持活動(dòng)狀態(tài)，并與斷塊、地槽、地臺(tái)存在顯著不同；整體性?；顒?dòng)地塊內(nèi)穩(wěn)定性強(qiáng)，構(gòu)造變形日趨平穩(wěn)，但在活動(dòng)地塊邊界發(fā)生強(qiáng)烈震動(dòng)與構(gòu)造變形；立體性?；顒?dòng)地塊的運(yùn)動(dòng)與變形容易被板塊邊界驅(qū)動(dòng)威脅，同時(shí)深部產(chǎn)生動(dòng)力影響；層次性?；顒?dòng)地塊形成了不同級(jí)別，大規(guī)模次級(jí)地塊集中拼湊成大地塊，其有效適應(yīng)大地震，而小地塊很好適應(yīng)了小地震。以上研究表明，由我國(guó)大陸晚第四紀(jì)構(gòu)造變形的顯著特征可知，基于大陸強(qiáng)震的特殊現(xiàn)象，初步在我國(guó)大陸活動(dòng)地塊輪廓與邊界斷裂之間建立了一種深淺耦合的關(guān)系，突出了活動(dòng)地塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使地塊間的作用更為突出，進(jìn)一步強(qiáng)化了與強(qiáng)震的內(nèi)部關(guān)系。

四川汶川發(fā)生的8.0 級(jí)特大地震，對(duì)其研究的專家學(xué)者初步總結(jié)了本次地震的發(fā)生規(guī)律，學(xué)者提出了一些創(chuàng)新性的想法。在全面掌握龍門山的地質(zhì)結(jié)構(gòu)形成特定與地震攜帶的反常自然現(xiàn)象，研究人員綜合調(diào)研結(jié)果提出了發(fā)震機(jī)制假設(shè)，地震發(fā)震造成了壓力巨大的天然氣體，由于其流動(dòng)在低強(qiáng)度面致使巖體破裂、地層隆起，從而出現(xiàn)反彈問題。在巨厚三疊紀(jì)與海相沉積地層間源源不斷產(chǎn)生大量天然氣，當(dāng)其完全填滿大型縫洞閉圈構(gòu)造時(shí)，隨著時(shí)間的延續(xù)，天然氣不斷流入縫洞，帶動(dòng)了壓力的快速上漲，最終被迫轉(zhuǎn)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(chuàng)新性理念支撐了地震氣爆論，推動(dòng)地震預(yù)報(bào)研究工作的可持續(xù)發(fā)展。

2 活動(dòng)地塊理論的應(yīng)用

2.1 在強(qiáng)震中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

經(jīng)全面系統(tǒng)的研究地塊邊界帶的構(gòu)造與強(qiáng)震活動(dòng)過程可知，在邊界帶強(qiáng)震活動(dòng)水平、構(gòu)造活動(dòng)速度與強(qiáng)震復(fù)發(fā)環(huán)節(jié)之間形成了一種彼此呼應(yīng)的關(guān)系，再次證明邊界帶的構(gòu)造變形較大程度限制了中國(guó)強(qiáng)震，依據(jù)各邊界帶地震應(yīng)變釋放情況揭示中國(guó)的地震活動(dòng)規(guī)律，從而對(duì)活動(dòng)地塊邊界帶強(qiáng)震活動(dòng)特性進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)這部分研究理論，聯(lián)系各邊界帶的地震活動(dòng)數(shù)據(jù)獲得強(qiáng)震活動(dòng)強(qiáng)度與復(fù)發(fā)規(guī)律，且結(jié)合邊界帶地震的發(fā)生情況，總結(jié)各邊界帶的危險(xiǎn)性，進(jìn)一步掌握各邊界帶的危險(xiǎn)等級(jí)和分區(qū)活動(dòng)規(guī)律，充分說明我國(guó)大陸活動(dòng)邊界帶上強(qiáng)震活動(dòng)的區(qū)別和動(dòng)力來源。再對(duì)多條活動(dòng)地塊邊界帶上地震形成的變異參數(shù)科學(xué)計(jì)算，從而了解各邊界帶的地震活動(dòng)形式，判斷我國(guó)大陸各區(qū)域的地震活動(dòng)體現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的活動(dòng)特點(diǎn)，其物理機(jī)制也出現(xiàn)了區(qū)別，基于此，計(jì)算對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)，以對(duì)各活動(dòng)地塊邊界帶的危險(xiǎn)程度科學(xué)判定。

2.2 強(qiáng)震機(jī)理模型的細(xì)化

汶川8 級(jí)地震客觀驗(yàn)證了活動(dòng)地塊假說的預(yù)測(cè)，且對(duì)活動(dòng)地塊假說的理論依據(jù)進(jìn)行了考驗(yàn)。絕大部分學(xué)者將地質(zhì)、地球物理和大地測(cè)量等數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起，建立了能應(yīng)對(duì)強(qiáng)震的預(yù)測(cè)模型。以對(duì)與汶川地震相關(guān)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(gòu)造變形規(guī)律，圍繞汶川地震孕育機(jī)理構(gòu)架了多元化模型，由此發(fā)現(xiàn)在塊體邊界兩側(cè)的巖石圈出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與性質(zhì)差異，順勢(shì)造成變形模式與應(yīng)力累積的區(qū)別，當(dāng)其統(tǒng)一發(fā)揮作用時(shí)快速積累了邊界斷裂帶引力，由此產(chǎn)生了汶川特大地震。

結(jié)合大量研究表明，一旦活動(dòng)地塊邊界帶所處區(qū)域偏大時(shí)，則會(huì)帶來非常明顯的強(qiáng)震活動(dòng)。阿爾金-祁連山-六盤山作為我國(guó)大陸活動(dòng)地塊邊界規(guī)模最大的區(qū)域，其將若干Ⅰ級(jí)活動(dòng)地塊有機(jī)聯(lián)系在一起，同時(shí)，兩側(cè)也陸續(xù)出現(xiàn)了很多Ⅱ級(jí)活動(dòng)地塊，它們的活動(dòng)帶有顯著差異性。在對(duì)邊界帶內(nèi)活動(dòng)斷裂結(jié)果分析可知，在該區(qū)域內(nèi)的活動(dòng)異常復(fù)雜且頻繁，由不同走向的3 條活動(dòng)斷裂構(gòu)成了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且會(huì)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(gòu)造發(fā)育區(qū)。

2.3 活動(dòng)地塊假說理論體系的發(fā)展

地球科學(xué)最顯著的特別便是綜合性，從一個(gè)假設(shè)學(xué)說的產(chǎn)生到形成比較完善的理論體系，這個(gè)過程非常漫長(zhǎng)?；顒?dòng)地塊假說的研究關(guān)鍵在于歸納歷史與現(xiàn)代活動(dòng)特點(diǎn)，收集結(jié)構(gòu)活動(dòng)和大地測(cè)量等相關(guān)資料，證明了活動(dòng)地塊變形對(duì)我國(guó)大陸強(qiáng)震有效控制的事實(shí)。與其有關(guān)的研究工作對(duì)活動(dòng)地塊的綜合特點(diǎn)與邊界結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了全面研究，形成了最初的理論體系。

我國(guó)大陸地塊地震活躍度最高的為青藏高原，而該地產(chǎn)生強(qiáng)震次數(shù)取決于活動(dòng)地塊邊界帶與塊體內(nèi)次級(jí)邊界活動(dòng)情況，也可以認(rèn)為海拔是該區(qū)域活動(dòng)斷裂分布與強(qiáng)震發(fā)生狀況的最直接影響因素。若高原的低海拔區(qū)產(chǎn)生了逆沖斷裂與逆沖型強(qiáng)震，則高原內(nèi)部會(huì)形成正向斷裂與共軛走滑斷裂，此外，高原各個(gè)海拔地區(qū)也形成了走滑斷裂，相對(duì)而言，北部為左旋走滑動(dòng)。

3 探測(cè)儀器

結(jié)合上述原理，設(shè)計(jì)出了探測(cè)來自不同深度地層的電磁波到達(dá)地面的時(shí)間差的儀器。（1）本儀器僅測(cè)時(shí)間差，故不會(huì)對(duì)輻射提出要求。（2）由于探測(cè)的對(duì)象是深層，故采用等于或小于1Hz 的頻率。（3）傳感器感應(yīng)的信號(hào)包括有用與無用的信號(hào)，且小信號(hào)與大信號(hào)疊加。一般來講，50Hz 工頻最強(qiáng)，一般將其作為干擾信號(hào)，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(dá)到了點(diǎn)式探測(cè)。（4）探地信號(hào)對(duì)應(yīng)有始時(shí)間函數(shù)，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?？傊?，介紹的都是有脈沖性質(zhì)的信號(hào)。對(duì)地層電性結(jié)構(gòu)，計(jì)算群時(shí)延差，結(jié)果表明，頻率為1Hz 的時(shí)差基本都超過了10ms。頻率降低時(shí)差升高。如此需要儀器對(duì)時(shí)差為10ms 的相鄰兩個(gè)脈沖信號(hào)進(jìn)行區(qū)分。故探測(cè)儀應(yīng)迅速響應(yīng)信號(hào)。

信號(hào)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(fā)射；人工源，在地面人為發(fā)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(gè)發(fā)射器，由地面設(shè)備控制。

傳感器：磁場(chǎng)傳感器，由于降低了頻率，故用高導(dǎo)磁率的磁棒。磁棒長(zhǎng)24cm，直徑2.5cm，在5cm 框架內(nèi)多層繞制。要想對(duì)磁場(chǎng)傳感器感應(yīng)電壓不斷提高，可采取磁棒長(zhǎng)度與直徑之比超過10 的磁棒，加大線圈圈數(shù)。相應(yīng)調(diào)整前置效益。

電場(chǎng)傳感器，采取長(zhǎng)條形敷銅板和電視用拉桿天線，還可以采取單根粗直導(dǎo)線，長(zhǎng)度結(jié)合需求在1 ～10m 選擇?；虿扇?m 多根導(dǎo)線與相鄰導(dǎo)線并聯(lián)，保持5cm。如此可對(duì)相對(duì)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(tǒng)增大。電場(chǎng)傳感器可對(duì)人體作出快速感應(yīng)，測(cè)試時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。

磁棒傳感器與平板傳感器對(duì)比：前者感應(yīng)電壓與頻率產(chǎn)生正比關(guān)系，后者與頻率沒有關(guān)系；后者感應(yīng)電壓超過前者；前者表現(xiàn)出方向性，后者降低了方向性；具體應(yīng)用時(shí)，前者改動(dòng)困難，后者更易改動(dòng)。

3.1 在地面接收的自然信號(hào)

（1）電場(chǎng)傳感器與磁場(chǎng)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(yīng)電壓小，1Hz 電場(chǎng)接收的總增益約為80分貝，折算輸出到儀器輸入，入場(chǎng)波場(chǎng)強(qiáng)超過毫伏/米，由此發(fā)現(xiàn)，自然源有較大場(chǎng)強(qiáng)。（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(cè)數(shù)據(jù)。（4）在每個(gè)大脈沖(入射波)后，有一組時(shí)間延后，幅度減小的脈沖。如果這些脈沖來自地下信號(hào)，是很容易理解的。因?yàn)樯疃仍酱?，到達(dá)地面的時(shí)間越遲，一般而言，深度越大，到達(dá)地面的信號(hào)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(zhuǎn)折點(diǎn)的位置容易確定，有利于測(cè)定轉(zhuǎn)折點(diǎn)間的群時(shí)延差(時(shí)差)。

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

3.2 有用信息識(shí)別

自然界總是存在各種電磁脈沖，在沒有所需要的信號(hào)時(shí)，帶通仍有輸出，一般不為0。當(dāng)新的脈 沖信號(hào)來到時(shí)，疊加到原存在的輸出上，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)(在此點(diǎn)，波形曲線的斜率發(fā)生非連續(xù)變化)。轉(zhuǎn)折點(diǎn)是判斷有無新脈沖信號(hào)到來的依據(jù)。帶通輸出波形上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)與整流輸出波形上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是對(duì)應(yīng)的。但整流輸出波形上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)更明顯，這與理論分析中用差分法處理帶通輸出數(shù)據(jù)得到的圖形類似。說明用實(shí)驗(yàn)方法證明了理論分析是正確的，根據(jù)理論分析，地層的二次發(fā)射(如反射波)到達(dá)地面的時(shí)刻。都在帶通中心頻率四分之一的周期(T0/4)內(nèi)。在輸出波形中，從上升幅度最大(入射波)的前沿起點(diǎn)算起，到T0/4 止，在這個(gè)時(shí)段內(nèi)尋找有用信息。有用信息的特征是：在通常情況下，在這個(gè)時(shí)段內(nèi)，來自地下有用信號(hào)形成的轉(zhuǎn)折點(diǎn)個(gè)數(shù)與轉(zhuǎn)折點(diǎn)間的時(shí)差有穩(wěn)定性，重復(fù)性。而出現(xiàn)在這個(gè)時(shí)段內(nèi)無用的隨機(jī)信號(hào)，則是不穩(wěn)定的。對(duì)比多次觀測(cè)，就可把隨機(jī)信號(hào)排除。由起點(diǎn)到第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的時(shí)差，反映的是地表層的情況，這個(gè)時(shí)差的變化在平時(shí)可用于考察人為和氣象等因素的影響。對(duì)預(yù)測(cè)短臨地震而言，應(yīng)關(guān)注深層，即第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)后的時(shí)差變化。在實(shí)際應(yīng)用中，只需將各次觀測(cè)記錄的圖形進(jìn)行對(duì)比，在通常情況下，這些轉(zhuǎn)折點(diǎn)基本上應(yīng)是重合的，在臨震前才可能有較大的錯(cuò)位，這表示電導(dǎo)率出現(xiàn)了異常變化。

4 結(jié)語

我國(guó)大陸幾乎都是在活動(dòng)地塊邊界帶發(fā)生強(qiáng)震，如此不僅檢驗(yàn)了活動(dòng)地塊假說理論，還預(yù)測(cè)了活動(dòng)地塊邊界帶內(nèi)是強(qiáng)震發(fā)生的集中應(yīng)力位置。但對(duì)于活動(dòng)地塊的概念與理論，還出現(xiàn)了很多需要解決的問題。因此，有必要構(gòu)建對(duì)活動(dòng)地塊理論進(jìn)行檢驗(yàn)的物理模型，在已知地層電性結(jié)構(gòu)的地方進(jìn)行觀測(cè)，這將能盡快地驗(yàn)證有無來自地層的低頻電磁波，以及能否識(shí)別有用信號(hào)等。