強震的孕育規(guī)律與孕震模式

秦四清，熊巨華，薛 雷，黃 鑫，王媛媛，泮曉華

（1.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所工程地質(zhì)力學重點實驗室，北京100029；

2.同濟大學土木工程學院，上海200092）

0 引言

地震預測是公認的世界性科學難題，是地球科學一個宏偉的科學研究內(nèi)容。如能同時準確預測出未來大地震的地點、時間和強度，無疑可以拯救數(shù)以萬計乃至數(shù)十萬計生活在地震危險區(qū)人民的生命；并且如果能預先采取恰當?shù)姆婪洞胧?，就有可能最大限度地減輕地震對建筑物等設施的破壞，減少地震造成的經(jīng)濟損失，保障社會穩(wěn)定和促進和諧發(fā)展［1］。盡管人類在地震學研究中已作出巨大努力，也提出不少孕震理論與預測方法，如地震空區(qū)－應力影區(qū)模式［2］、紅腫理論［3］、區(qū)域－時間－長度方法［4］（RTL）、圖像信息學方法［5］（PI）、增加概率的時間方法［6］（TIP）、AMR／DMR時間－破壞方法［7］等，但這些預測理論和方法大多與巖石破裂力學過程脫節(jié)，與孕震歷史過程脫節(jié)，且基本都有多解性，應用于實際地震四要素預測還有很長的距離。

正如許多地震學家所指出的，地震預測的進展主要受到地球內(nèi)部的“不可入性”、大地震的“非頻發(fā)性”以及地震物理過程的復雜性等困難制約，因此有前景的地震預測方法在目前不能實現(xiàn)，似乎在不遠的將來也難以實現(xiàn)［8］。Geller等基于地球系統(tǒng)總是處于自組織臨界性的觀點，甚至斷言“地震不能被預測”［9］。

筆者認為這些悲觀的觀點純屬誤導，經(jīng)過不懈努力，任何科學難題終將被突破，地震預報也不例外。大地震為何難以預測呢？其根本原因不在于監(jiān)測技術手段的不足，而在于缺乏對孕震共性規(guī)律的認識及預測理論方面的創(chuàng)新與突破。

筆者認為，科學的強震預測理論應具有以下特點：①以地震地質(zhì)資料為劃定孕震時空區(qū)域的基礎；②與巖石破裂演化過程密切相關；③基于長期可靠的地震活動性監(jiān)測數(shù)據(jù)，如地震目錄等，掌握巖石的破裂程度；④能通過所有歷史強震震例的檢驗，具有廣泛的普適性；⑤既能預測“地震”，也能預測“不地震”。

為此，筆者就地震預測尤其是強震預測可行性進行研究，鑒于篇幅限制，讀者若想更好地了解相關背景知識，建議參閱筆者近期所發(fā)表的一系列強震預測新理論文獻［10－18］。為方便起見，首先對筆者近期提出的鎖固理論與相關預測方法做簡單介紹，然后通過對國內(nèi)外典型大地震的回溯性預測驗證，總結(jié)出幾種典型的孕震模式，以深化地震預測科學的研究。

1 孕震斷層的多鎖固段脆性破裂理論

經(jīng)過較長時間的探索，筆者于2009年7月提出了適用于地震、滑坡、崩塌、巖爆預測的鎖固理論，希望揭示這些破壞現(xiàn)象的本質(zhì)機理。對從文獻上能收集到的105個地震實例、40個崩滑實例、5個巖爆實例的驗證分析表明，鎖固理論能可靠地用于地質(zhì)體災變的失穩(wěn)預測分析，迄今為止，對可搜集到的歷史強震案例分析還未發(fā)現(xiàn)反例。

只要人類依靠現(xiàn)有技術能識別或能捕捉到顯著的地震前兆或異常現(xiàn)象，并且這種前兆或異常在每次大震前都能重復觀測到，那么強震一定能夠預測。是否存在這種具有普適性的前兆現(xiàn)象呢？答案是肯定的。通過室內(nèi)巖石三軸壓縮聲發(fā)射實驗［10］知道，地震像室內(nèi)巖樣加載破裂過程一樣，在巖石變形到其體積膨脹點時，微破裂會向未來的主破裂面叢集，出現(xiàn)震群，震群是唯一的大地震活動性前兆，建立了震群與未來大震的力學聯(lián)系，則大震預測問題就迎刃而解。

已有研究發(fā)現(xiàn)，斷層的運動模式和相關的地震活動性受斷層中一個或多個鎖固段所控制［19］。一旦所有的鎖固段被突破，主震將不可避免地發(fā)生。筆者應用重正化群理論導出了鎖固體在其體積膨脹起點的臨界破壞概率，基于材料脆性破壞的Weibull分布模型給出了單鎖固體斷裂點（大地震發(fā)生）與體積膨脹起點位移或應變（圖1）的表達式［11－12］

式中：sf、sc分別為對應鎖固體斷裂點與膨脹起點的應變或位移。鎖固體變形到膨脹點時，微破裂會向未來的主破裂面叢集，震群出現(xiàn)，在蠕變位移－時間曲線上表現(xiàn)為位移加速現(xiàn)象［11］，因此sc容易從時間－位移觀測曲線上確定，進而定量計算鎖固段破裂點對應的臨界位移或應變sf。由于沿斷層面的深部滑動位移不能直接測量，應尋求位移的替代量，已有研究表明Benioff應變可作為深部滑動位移的替代量［20］。

實際上，一個孕震斷層可能含多個鎖固段。在式（1）的基礎上，筆者導出了適用于孕震斷層中多鎖固段破裂的臨界應變表達式

式中：sf（k）為第k個鎖固段斷裂點（即將發(fā)生的中等強度預震或大級別預震）的臨界應變。在最后一個鎖固段破壞后，主震將發(fā)生。式（2）表明，失穩(wěn)點的臨界應變與加速應變始點和鎖固段的數(shù)目有關，而與鎖固段的尺寸和強度無關。

值得注意的是，Benioff應變計算依賴于一個地震周期內(nèi)完整且準確的地震目錄以及對孕震區(qū)域的準確識別，故觀測和計算誤差不可避免。為此筆者提出一種估算Benioff應變誤差的方法

利用式（3）可對含多鎖固段的孕震斷層地震活動性觀測數(shù)據(jù)進行誤差改正，以提高預測精度。對世界上典型大地震的回溯性預測驗證表明［13］，該理論是可靠的，可用于實際地震預測。在此基礎上，基于該理論嘗試著進行中國范圍內(nèi)未來強震預測研究工作，希望能夠給限于困境的地震預測科學注入新的動力。

2 強震四要素預測方法與孕震時空區(qū)域劃分原則

筆者根據(jù)相當數(shù)量大震實例的分析總結(jié)，提出了確定包括大震震級、地點、臨界應變（對應發(fā)震時間）與震源深度在內(nèi)的四要素預測方法；給出了孕震周期的時間起點確定原則、孕震空間尺度確定原則、孕震時空范圍內(nèi)能量積累與釋放的能量守恒原則與孕震規(guī)律合理性檢驗原則，根據(jù)這4項基本原則，并結(jié)合斷裂分布與地震活動性，可劃分合理的孕震時空范圍［14－18，21］。需要強調(diào)的是，對大震震級與震中位置的預測應根據(jù)地震活動性監(jiān)測進行動態(tài)修正，以逐漸接近實際情況。

因此，建議按照以下工作步驟確定合理的孕震時空范圍：首先基于活動斷裂與大于一定震級的地震活動性分布關系、非發(fā)震斷裂的邊界控制條件、地震條帶與地震空區(qū)空間展布等，初定多種孕震空間范圍的不同組合方案；然后根據(jù)以上4項基本原則檢驗孕震空間與時間尺度劃分方案的合理性，盡可能用多個歷史大震進行多點檢驗，直至優(yōu)選出最佳方案。

在孕震區(qū)確定后，還可根據(jù)地震活動性的空間差異性，再細分出地震帶，研究各地震帶強震的聯(lián)系，可解釋強震鏈式發(fā)震機理。

根據(jù)上述4項基本原則，對中國各強震孕震區(qū)域進行合理劃分，并對未來各地震區(qū)的地震四要素進行預測［17］，編制“中國地震區(qū)劃分圖”與“中國未來強震預測圖”。對2011年3月云南盈江Ms＝5.8級地震和緬甸Ms＝7.2級地震的超前預測表明，根據(jù)筆者提出的孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論和相關方法，可以預測強震四要素（包括震源深度）［22］。

3 強震孕育過程的共性規(guī)律——加速性地震活動性前兆（震群）

從分析過去105個強震實例看，大震前都有加速性地震活動前兆，即在鎖固體變形到膨脹點時，在大震前都有震群發(fā)生（圖2～7）。該規(guī)律是具有普適性的共性規(guī)律。

圖2 2010年1月12日海地MW＝7.0級地震前累積Benioff應變隨時間的變化Fig.2 Time Variation of the Observed Cumulative Benioff Strain Before the 12January 2010Haiti MW＝7.0Earthquake

圖3 海原地震區(qū)公元前193年至公元2010年6月6日累積Benioff應變與時間關系Fig.3 Temporal Distribution of Cumulative Benioff Strain in the Period from BC 193to 6June 2010 for the Haiyuan Seismic Zone

圖4 京津唐地震區(qū)（唐山地震）1730年9月30日至2010年6月6日累積Benioff應變與時間關系Fig.4 Temporal Distribution of Cumulative Benioff Strain in the Period from 30September 1730to 6June 2010for the Beijing－Tianjin－Tangshan Seismic Zone

圖5 公元638年至2008年5月12日汶川Mw＝7.9級地震發(fā)生前累積Benioff應變與時間關系Fig.5 Temporal Distribution of Cumulative Benioff Strain in the Period from 638to 12May 2008Prior to the Wenchuan Mw＝7.9Earthquake

正如Tang所指出的，此規(guī)律產(chǎn)生的根本原因在于巖石介質(zhì)的非均勻性［23］。對完全均質(zhì)材料（例如玻璃）的破裂過程，其在主震前將沒有任何中小地震發(fā)生，并且其膨脹點和峰值斷裂點重合，對這種材料的破裂過程因無任何前兆而無法預測。但地殼巖石是非均質(zhì)的材料，從室內(nèi)聲發(fā)射實驗知道，在巖石變形到膨脹點前有小事件發(fā)生；到達膨脹點時微破裂會向未來的主破裂面叢集，震群出現(xiàn)；在強度峰值點附近，最大的破裂事件（主震）發(fā)生。因此可以推斷，沒有前震的主震型地震序列是不存在的。

只有從長時間尺度和大范圍空間尺度孕震過程的觀點出發(fā)，才能正確理解大震孕育演化過程。特定孕震區(qū)內(nèi)的任何破裂都是有聯(lián)系的，任何事件都不是孤立的，都與鎖固體在不同變形階段的破裂過程密切相關，也即孤立型地震是不存在的。

研究表明，雖然大地震和特大地震的孕震過程千差萬別且十分復雜，但其孕震過程仍遵循著一個基本、確定乃至簡單的力學規(guī)律，大地震是可以預測的［10－11，13－18，21－22］。世界上最有規(guī)律、最按“規(guī)則出牌”的自然現(xiàn)象就是大地震的孕育發(fā)展過程，其孕震過程雖然復雜，但受常數(shù)“1.48”的控制。強震孕育過程遵循著能量守恒原理，即在特定孕震時空范圍內(nèi)地質(zhì)體積累的能量應等于最終釋放的能量。

圖6 青海玉樹地震區(qū)1738年至2010年6月7日累積Benioff應變與時間關系Fig.6 Temporal Distribution of Cumulative Benioff Strain in the Period from 1738to 7June 2010for the Yushu Seismic Zone in Qinghai

圖7 邢臺地震區(qū)公元777年至2010年5月31日累積Benioff應變與時間關系Fig.7 Temporal Distribution of Cumulative Benioff Strain in the Period from 777to 31May 2010 for the Xingtai Seismic Zone

4 強震孕震模式

為了解釋與地震發(fā)生有關的各種前兆信息和解決地震預測問題，國內(nèi)外學者已經(jīng)建立了諸多地震孕育模式，如彈性回跳模式、擴容模式、裂縫串通模式、組合模式、障礙體與凹凸體模式等［1－9］。但是上述模式只能對特定地震孕震過程或前兆作出一定程度的合理解釋，適用范圍有限且不具有普適性。鑒于筆者提出的理論對歷史強震回溯性檢驗取得的良好效果，在此對相應的歷史強震實例進行了歸納總結(jié)，提出了4種強震孕震模式。

4.1 大震震級呈“大—小—大”型

該類型強震在孕育過程中，一般先發(fā)生一個較大的事件，且該事件對應的鎖固段直接從其變形膨脹點破裂到峰值強度點。其后經(jīng)過一段較長時間后再發(fā)生一個稍小一點的事件，且該事件為另一個鎖固段在其變形膨脹點處的標志性震群事件，之后再發(fā)生更大的事件。汶川MW＝7.9級地震與唐山Ms＝7.8級地震都屬該種類型。

從圖5看出，在汶川大震前，存在有兩個鎖固段，1933年茂縣7.5級大震已使第一鎖固段破裂完畢，該震為汶川大震能量的蓄積起到了重要作用，但不是汶川大震最直接的起因。之后1976年的松潘平武雙震震群事件是第二鎖固段的臨界破壞始點，即第二鎖固段的變形膨脹點，由于其在加速破裂后還未到達峰值強度點，之后必有更大的事件發(fā)生。根據(jù)上述理論方法，預測的汶川大震震級為7.8級，發(fā)震時間為2008年4月11日，為汶川大震前1個月，震中位置在綿竹附近。

簡而言之，盡管汶川大震是其孕震區(qū)內(nèi)長期能量積累的結(jié)果，但導致其發(fā)生的最直接原因是1976年的松潘平武雙震事件，該7.2級雙震事件是引發(fā)汶川大地震的直接導火索。

從圖5也可看出，從1976年至2008年汶川大震發(fā)生前，地震活動性總體是平靜的。從2004年12月開始的紫平鋪水庫蓄水并沒有使孕震區(qū)內(nèi)的地震活動性增強，這說明汶川大地震與紫平鋪水庫蓄水沒有直接的關聯(lián)。

4.2 大震震級呈連續(xù)上升型

利用第一個鎖固段在其變形膨脹點處的標志性震群事件，可連續(xù)預測到以后的大震，這說明在孕震斷層中鎖固段按照其強度和尺寸的不同，其鎖固段是沿斷層一字排列并逐次破裂的。青海玉樹Ms＝7.3級地震等都屬這種情況。

由圖6可知，根據(jù)1981年6月9日Ms＝6.5級地震，以加速應變釋放起點值為sc，可連續(xù)預測到1988年Ms＝6.8級地震和2010年4月14日青海玉樹Ms＝7.3級地震在臨界失穩(wěn)點的應變值。但截止到2010年6月7日，Ms＝7.3級地震對應的鎖固段還未破裂完畢，以后可能在該地震區(qū)還會發(fā)生Ms＝7.6級強震事件。為此建議，首先對該地震區(qū)內(nèi)是否還存在閉鎖區(qū)域（鎖固段）進行地震地質(zhì)調(diào)查，并結(jié)合未來5年的地震活動性監(jiān)測，進行綜合分析以作出科學判斷。

4.3 鎖固段快速連續(xù)破裂型

鎖固段在較短時間內(nèi)快速連續(xù)破裂，邢臺1966年Ms＝7.2級地震屬這種類型。這種類型地震是筆者分析過的地震實例中唯一的一例，其原因可能是鎖固段之間距離較近且脆性程度較高所致。

根據(jù)該區(qū)的歷史地震目錄，1966年3月22日邢臺Ms＝7.2級地震發(fā)生之前，沒有震級大于或等于7.0的強震發(fā)生。從圖7可知，1966年3月6日至8日以Ms＝6.8級地震為標志的震群事件已使第一鎖固段破裂完畢，第二鎖固段膨脹點的事件是1966年3月22日的Ms＝6.7級地震事件，利用該事件可準確預測到Ms＝7.2級地震，第三鎖固段以震群形式破裂，其結(jié)束的標志性事件是1967年3月27日的Ms＝6.3級事件（Ms＝7.2級事件后最大一次地震）。

比較已分析過的105個大震實例，邢臺Ms＝7.2級地震是一個特殊的地震實例。一般在大震前的震群出現(xiàn)后，經(jīng)歷幾年乃至幾十年或上百年，后續(xù)的大震才能發(fā)生。邢臺大地震與其他大震完全不同，是一個在較短時間內(nèi)多鎖固段連續(xù)快速破裂的強震孕育實例，其演化的特殊機制研究值得重視。

4.4 標準型

利用第一個鎖固段在膨脹點處的標志性震群事件可預測到主震在臨界失穩(wěn)點處的應變值，且主震對應的鎖固段也破裂完畢（達到峰值強度點）。這種類型的地震最多，海城1975年Ms＝7.3級地震就是典型例子。根據(jù)孕震區(qū)域范圍內(nèi)Benioff應變計算結(jié)果（圖8），預測的臨界應變值為1.69×108，在臨界點處的實際監(jiān)測值為1.58×108，相差1.1× 107；預測的震級為7.1級。海城Ms＝7.3級地震已使其對應的鎖固段破裂完畢，其后為主震發(fā)生后的余震事件，余震結(jié)束的標志性事件為發(fā)生在1978年5月18日的Ms＝5.9級地震。

從圖8可知，發(fā)生在1944年12月19日的遼寧丹東Ms＝6.75級地震，是1975年2月4日海城Ms＝7.3級地震對應的鎖固段在其膨脹點處的標志性事件。從孕震區(qū)內(nèi)有文獻記載的地震活動性來看，海城大地震至少已孕育了1 956年，是能量長期累積導致的結(jié)果。但導致其發(fā)生的最直接原因是1944年的丹東地震事件，該6.75級地震是引發(fā)海城大地震的直接導火索。

5 結(jié)語

（1）發(fā)現(xiàn)了強震孕育過程的多鎖固段脆性破裂規(guī)律，利用加速性地震活動前兆（震群事件）可預測未來大震，該規(guī)律具有普適性；給出了強震四要素預測方法與孕震時空區(qū)域劃分原則。

圖8 海城地震區(qū)公元19年至2010年6月5日累積Benioff應變與時間關系Fig.8 Temporal Distribution of Cumulative Benioff Strain in the Period from 19to 5June 2010 for the Haicheng Seismic Zone

（2）根據(jù)歷史強震的地震目錄序列，歸納出了4種孕震模式：大震震級呈“大—小—大”型、大震震級呈連續(xù)上升型、鎖固段快速連續(xù)破裂型和標準型。盡管這4種模式表現(xiàn)形式各不相同，但都可以用多鎖固段脆性破裂理論解釋。

（3）對諸多歷史強震實例的分析表明，多鎖固段脆性破裂強震預測理論與方法適用性良好。當然該理論還有發(fā)展完善的必要，筆者也正為此不懈努力。

（4）基于上述研究成果，建議今后抗震減災研究工作重點應該放在以下方面：①加強活動斷裂位置精確定位、性質(zhì)判定的地震地質(zhì)研究，用地球物理手段探明隱伏斷裂；②開展孕震區(qū)鎖固段（閉鎖區(qū)域）判識的地質(zhì)與地球物理研究；③整理與修訂歷史地震目錄，修正1970年以后地震目錄的誤差；④優(yōu)化地震臺網(wǎng)布局，地震目錄中的震級盡可能采用統(tǒng)一震級表達，如采用矩震級，以便于科學研究。

成文中得到劉光鼎、滕吉文、朱日祥院士以及吳福元、常旭研究員的鼓勵，得到王思敬院士、張倬元教授的有益指導，在此一并致謝。

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