低頻前驅(qū)波傳播機(jī)理的研究現(xiàn)狀*

張淑亮李斌呂芳

1)山西省地震局，太原030021

2)太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，太原030025

低頻前驅(qū)波傳播機(jī)理的研究現(xiàn)狀*

張淑亮1，2)李斌1，2)呂芳1，2)

1)山西省地震局，太原030021

2)太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，太原030025

本文從低頻前驅(qū)波傳播的理論與實(shí)驗(yàn)等方面對(duì)其傳播機(jī)理的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述。斷裂預(yù)擴(kuò)展、過(guò)熱液體暴沸、粘滑地震前的預(yù)滑等均可能產(chǎn)生低頻前驅(qū)波;微破裂集結(jié)、均勻和非均勻斷層滑動(dòng)失穩(wěn)成核、聲透射等實(shí)驗(yàn)均證實(shí)了巖石在大破裂前確實(shí)能夠產(chǎn)生一種長(zhǎng)周期、小振幅的低頻事件;低速斷層、殼內(nèi)低速層、承壓含水層、水體大連通性好的灰?guī)r含水層、大氣中的聲波導(dǎo)層有利于低頻前驅(qū)波傳播。

地震;低頻前驅(qū)波;低速層;傳播

引言

早在20世紀(jì)70年代，低頻前驅(qū)波就被認(rèn)為是來(lái)自震源的信息，具有重要的短臨預(yù)報(bào)價(jià)值。近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)外寬頻帶數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)、高采樣率數(shù)字前兆臺(tái)網(wǎng)、連續(xù)GPS臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)手段的廣泛應(yīng)用，前驅(qū)波的特征、前驅(qū)波形成機(jī)理、前驅(qū)波傳播等問題愈來(lái)愈受到國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者的關(guān)注，并成為前驅(qū)波研究問題的熱點(diǎn)。

1 低頻前驅(qū)波現(xiàn)象

地震前的低頻慢地震波現(xiàn)象，最早是由Kizawa[1]在GS12型重力儀光電記錄上發(fā)現(xiàn)的。他發(fā)現(xiàn)1964年3月28日美國(guó)阿拉斯加大地震和1964年6月16日日本新潟地震前3天，有一系列的特殊脈動(dòng)疊加在重力固體潮曲線上，并一直持續(xù)到大地震發(fā)生。之后國(guó)內(nèi)外也有許多類似的前驅(qū)波異常現(xiàn)象報(bào)導(dǎo)。Crescentini等[2]用意大利中部山洞中的激光干涉儀記錄到二個(gè)垂直方向上基線的應(yīng)變變化，從1996年2月至1997年9月，他們?cè)趲讉€(gè)地震群觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)了180多個(gè)前驅(qū)波，并發(fā)現(xiàn)地震矩與斷裂持續(xù)時(shí)間相關(guān);McGuire等[3]對(duì)1994年Romanche轉(zhuǎn)換斷層上地震寬頻帶地震儀記錄低通濾波后，也首次在時(shí)間域識(shí)別出高頻地震波動(dòng)到達(dá)前約100 s即開始出現(xiàn)前驅(qū)波，其釋放的地震矩約為全部地震的一半;2001年11月14日昆侖山大斷裂中段發(fā)生的M8.1地震，新疆臺(tái)網(wǎng)的寬頻帶數(shù)字地震臺(tái)在震前3.5天普遍地記錄到顯著的長(zhǎng)周期異常波動(dòng)信號(hào)[4]。近年來(lái)在我國(guó)某些地下水位觀測(cè)井中又發(fā)現(xiàn)一些強(qiáng)震前幾小時(shí)到幾十小時(shí)記錄到水位長(zhǎng)周期異常波動(dòng)現(xiàn)象，其周期多為數(shù)分鐘到數(shù)十分鐘，幅度為幾到幾十毫米[5-6]。

2 低頻前驅(qū)波傳播的理論研究

目前關(guān)于低頻前驅(qū)波傳播機(jī)理有許多不同的理論，其中最具代表性的有斷裂預(yù)擴(kuò)展理論、流體作用、聲波透射理論、亞臨界擴(kuò)展、預(yù)滑與地震前兆理論等。

2.1 斷裂預(yù)擴(kuò)展理論

馮德益等[7]應(yīng)用斷裂力學(xué)和流變介質(zhì)中波的傳播理論，研究了震前長(zhǎng)周期形變波的波動(dòng)源以及這些波傳播的一些主要特征:震前地殼內(nèi)的長(zhǎng)周期形變波可能由斷層預(yù)滑或斷裂擴(kuò)展產(chǎn)生，其周期范圍一般為幾十秒至幾個(gè)小時(shí);流變介質(zhì)有利于長(zhǎng)周期縱波傳播而不利于長(zhǎng)周期橫波傳播;由斷裂預(yù)擴(kuò)展在地殼介質(zhì)中產(chǎn)生的長(zhǎng)周期形變波應(yīng)該以縱波為主;由于長(zhǎng)周期形變波具有較明顯的頻散特性，其衰減系數(shù)也較強(qiáng)烈地依賴于頻率，因而在傳播過(guò)程中其波形要不斷發(fā)生變化;斷裂預(yù)擴(kuò)展對(duì)應(yīng)著突然加壓，并持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，則由相應(yīng)公式可以算出，在波動(dòng)源區(qū)外圍鄰近介質(zhì)中傳播的長(zhǎng)周期波近似具有“階躍”形，而遠(yuǎn)區(qū)介質(zhì)中傳播的長(zhǎng)周期波則具有振幅迅速衰減的“振動(dòng)形”。

2.2 流體的作用

臨震前震源地方出現(xiàn)預(yù)滑是低頻前驅(qū)波產(chǎn)生的原因之一。但據(jù)有關(guān)的研究，預(yù)位移量很小，它很難直接引起較明顯的低頻前兆變化。郭增建等[8]認(rèn)為在預(yù)位移和低頻前兆之間可能存在著某種高放大過(guò)程，即過(guò)熱液體的暴沸。這是由于淺源大地震的震源頂部可能達(dá)及地表或接近地表，而地表沉積層基底一般是飽含水的，它以曲折的通道與地表相通。由于這些通道位于地下深處，地面的擾動(dòng)不易影響它，因此這里的液體可認(rèn)為處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。另一方面沉積巖的傳熱性能差，所以深部上來(lái)的熱流有可能在沉積基底聚熱，并使這里的水達(dá)到過(guò)熱狀態(tài)(即超過(guò)沸點(diǎn)而不沸騰)。如眾所周知，過(guò)熱狀態(tài)的液體是極不穩(wěn)定的，一旦震源區(qū)有變動(dòng)，如預(yù)滑引起的運(yùn)動(dòng)，就可能觸發(fā)過(guò)熱液體暴沸。由于暴沸過(guò)程極其劇烈，所以它是震前預(yù)位移和前震活動(dòng)的放大器。預(yù)滑放出的波能約為主震時(shí)的1/104，預(yù)位移時(shí)斷層面上質(zhì)點(diǎn)位移速度與斷裂傳播速度成正比。因此，當(dāng)預(yù)位移很慢時(shí)，預(yù)位移的傳播速度也很慢。盡管預(yù)位移產(chǎn)生的彈性波能量不大，但由于預(yù)位移時(shí)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度較慢，周期較大，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，因此它向外傳播時(shí)吸收較小，傳播得較遠(yuǎn)。

2.3 前兆次聲波

前兆次聲波是指地震前地殼內(nèi)應(yīng)力積累到一定程度，在微裂過(guò)程中應(yīng)力釋放，輻射彈性波，當(dāng)此彈性波傳播到地表層時(shí)，向大氣中輻射聲波，壓迫地面上的空氣層，引起壓力變化產(chǎn)生聲波。由于地殼中板塊的這些變化是緩慢進(jìn)行的，故引起的聲波屬次生頻(20 Hz以下)范圍[9]。

根據(jù)聲學(xué)理論基礎(chǔ)估算，平面聲波從地表土層垂直入射到空氣的折射系數(shù)D=2ρ2c2/(ρ2c2+ρ1c1)，取土壤密度ρ1為1140×103 kg/m3，土層聲速c1為400m/s，空氣密度ρ2為1118 kg/m3(氣溫23℃)，空氣中的聲速c2為345m/s，則D為0.00145。即土壤中1個(gè)大氣壓的波動(dòng)透射到空氣中將引起145 Pa的聲波。因此地殼內(nèi)微破裂所產(chǎn)生的長(zhǎng)周期波完全可能透射到地面大氣層中[9]。

大氣對(duì)可聽聲(20～20000 Hz)有很大衰減。熱傳導(dǎo)和粘滯吸收均與頻率的平方成正比，故頻率越低，吸收越小。例如0.1 Hz的次聲波在空氣中傳播時(shí)，就比1000 Hz的可聽聲吸收系數(shù)小1億倍。對(duì)1 Hz以下的地震前兆次聲波，吸收效應(yīng)幾乎可略去不計(jì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)實(shí)例，1 Hz聲波在100 km高度的衰減率約為0.1 dB/km。故從地面?zhèn)鞯酱髿鈱酉侣暤纼H衰減約1.8 dB。另外，大氣中的聲波導(dǎo)對(duì)次聲波傳播也起積極作用。在上千千米厚的大氣層中，由于氣溫隨高度增加而出現(xiàn)兩個(gè)溫度極小值，從而形成兩個(gè)次聲通道。大氣下聲道離地面約18 km，在對(duì)流層和平流層之間。大氣上聲道離地面約85 km，在中間層與熱層之間。強(qiáng)地震的前兆次聲波因其振幅較強(qiáng)，很有可能進(jìn)入大氣下聲道，從而傳到更遙遠(yuǎn)的地方[9]。

保持傷口敷料清潔干燥,植皮患者植皮區(qū)制動(dòng),觀察皮瓣的顏色、腫脹、彈性,綜合判定皮瓣血運(yùn)情況,發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)告主管醫(yī)生[4]。

2.4 亞臨界擴(kuò)展

劉萬(wàn)琴等[10]對(duì)北京房山煤礦井下6號(hào)地震臺(tái)記錄到的高頻和低頻振動(dòng)，用彈性波和近年來(lái)一系列關(guān)于地震破裂成核理論進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，低頻振動(dòng)可能是亞臨界擴(kuò)展向前推進(jìn)時(shí)激發(fā)的長(zhǎng)周期波，是不可恢復(fù)的形變。在其研究中對(duì)最大的一次(M=2.3)礦震事件前短臨階段的震源過(guò)程特征進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為震前20天左右亞臨界擴(kuò)展開始出現(xiàn)并具有間歇性，在此期間孕震斷裂端部擴(kuò)容區(qū)體積變化不大。亞臨界擴(kuò)展時(shí)不僅激發(fā)產(chǎn)生長(zhǎng)周期波，同時(shí)也常誘發(fā)小事件。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 典型構(gòu)造微破裂集結(jié)的實(shí)驗(yàn)研究

為了尋找(超)低頻輻射與破裂之間的關(guān)系，李世愚等[11]用大理石和玻璃進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在A組樣品的初始破裂瞬間，載荷傳感器記錄到應(yīng)力升高的低頻脈沖。樣品出現(xiàn)的脈沖持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)的優(yōu)勢(shì)頻率(1～3 Hz)不僅低于一般的聲發(fā)射頻率(20 kHz～1mHz)，而且低于可聽聲音頻率(16～20 kHz)，已進(jìn)入次聲頻率范圍。除此之外，他們用金屬棒和橡皮頭錘子先后敲擊一個(gè)直徑為300mm，厚度為15mm的大理石板的中心點(diǎn)，以比較其產(chǎn)生的輻射波。發(fā)現(xiàn)橡皮錘敲擊產(chǎn)生的初至波的卓越周期比金屬棒敲擊的卓越周期大一倍左右，因此認(rèn)為:震源部位的激發(fā)介質(zhì)特性起重要作用，柔性介質(zhì)的沖擊振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于脆性介質(zhì)。

3.2 均勻和非均勻斷層滑動(dòng)失穩(wěn)成核過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究

馬勝利等[12]在中國(guó)地震局地質(zhì)研究所構(gòu)造物理開放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了均勻和非均勻斷層滑動(dòng)失穩(wěn)成核過(guò)程的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是均勻標(biāo)本一次粘滑失穩(wěn)的特點(diǎn)是破裂速度均勻，不存在所謂的成核相;非均勻標(biāo)本粘滑失穩(wěn)由兩種不同性質(zhì)的波組成。首先是振幅很小、周期較長(zhǎng)的彈性波從斷層上部向下部傳播，并在“弱段”和“強(qiáng)段”交接帶疊加了振幅不大的高頻成分，然后是振幅較大的短周期彈性波從斷層中間向兩側(cè)傳播，這種長(zhǎng)周期的彈性波所揭示的是動(dòng)態(tài)破裂開始時(shí)相對(duì)較慢的破裂過(guò)程，是一種典型的破裂成核相;均勻標(biāo)本的斷層從閉鎖到失穩(wěn)的轉(zhuǎn)換是相當(dāng)突然的，只是在失穩(wěn)前約5 s才出現(xiàn)預(yù)滑現(xiàn)象，但預(yù)滑量很小，滑動(dòng)速率很低;非均勻標(biāo)本失穩(wěn)前預(yù)滑現(xiàn)象非常明顯，失穩(wěn)前約20 s便出現(xiàn)了預(yù)滑，盡管其間滑動(dòng)速率并不均勻，但失穩(wěn)前預(yù)滑逐漸加速的現(xiàn)象十分明顯。顯然，以低頻、小振幅波形為特征的成核相的產(chǎn)生與斷層的高速預(yù)滑相關(guān)。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了成核相的產(chǎn)生是由于非均勻斷層預(yù)滑速度達(dá)到了動(dòng)態(tài)破裂速度所致。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)處理方法無(wú)關(guān)。不是所有的失穩(wěn)都能觀察到成核相，“預(yù)滑”并不意味著成核相一定會(huì)出現(xiàn)，成核相能否產(chǎn)生取決于預(yù)滑速度，只有當(dāng)預(yù)滑速度足夠大時(shí)，才能夠激發(fā)彈性波。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了地震成核相是客觀存在的，是發(fā)震斷層的非均勻性造成地震破裂過(guò)程非均勻性的反映。

3.3 超遠(yuǎn)強(qiáng)震前前兆異常的實(shí)驗(yàn)研究

許昭永等[13]的遠(yuǎn)場(chǎng)和超遠(yuǎn)場(chǎng)前兆的模擬實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，巖樣破壞時(shí)，巖樣外很遠(yuǎn)地方都可能出現(xiàn)前兆異常，即在大地震前在孕震區(qū)以外很遠(yuǎn)的地方都可能出現(xiàn)前兆異常。在巖石主破裂前巖樣外并非任何測(cè)點(diǎn)任何時(shí)間都有突變和擾動(dòng)，它僅在一些靈敏點(diǎn)，僅在極臨近主破裂時(shí)才有反映。

3.4 強(qiáng)地震前兆低頻波的實(shí)驗(yàn)研究

唐林波等[14]聲波透射實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于板狀材料，聲音的一部分能量可以透射到空氣中，另一部分能量在板中形成，使板產(chǎn)生較大的振幅，在空氣中產(chǎn)生能被話筒接收到的聲音信號(hào)，而信號(hào)的頻率與板的尺寸有關(guān)。巖石破裂實(shí)驗(yàn)則表明，隨著微破裂的集結(jié)和裂紋的擴(kuò)展，所輻射波的頻譜會(huì)逐漸向低頻移動(dòng)，而且當(dāng)頻率很低時(shí)，可以透射出巖石，被話筒接收到。

根據(jù)尺度相似原理，可把他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推廣到野外，地殼可以看作是分層介質(zhì)。如果地震前地下有一波源，一部分能量透射到空氣中，而另一部分能量在地殼中產(chǎn)生較強(qiáng)的簡(jiǎn)正波，引起地球表面振動(dòng)，再次被空氣中的次聲探測(cè)器接收到。由于地殼的尺度一般為幾百千米，因此，它所激發(fā)出的聲波的波長(zhǎng)就為幾百千米，對(duì)應(yīng)于次聲波的周期就為幾十分鐘，與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果相符。巖石破裂實(shí)驗(yàn)表明，隨著時(shí)間的推移，微小破裂逐漸集結(jié)為較大的破裂，聲發(fā)射最高頻率隨著裂紋長(zhǎng)度增加而降低。所以，在野外隨著破裂的集結(jié)，裂紋長(zhǎng)度越來(lái)越大，滑動(dòng)越來(lái)越慢，輻射波的周期也越來(lái)越長(zhǎng)，一般地震儀器可能記錄不到，但某些超低頻傳感器或次聲波接收器卻能記錄到[14]。

長(zhǎng)周期波的來(lái)源可能很復(fù)雜，很多情況下并非脆性破裂，而是塑性蠕滑或者有流體參與。而后兩種情況產(chǎn)生的波的周期會(huì)更長(zhǎng)，這可能是多數(shù)地震前缺乏前震的原因。而特殊的長(zhǎng)周期記錄儀和次聲波接收器能記錄到這些長(zhǎng)周期信息，從而補(bǔ)償了大多數(shù)強(qiáng)地震前缺失的地震活動(dòng)信息。

3.5 流體的膨脹-擴(kuò)容模式

高圍壓下的膨脹-擴(kuò)容實(shí)驗(yàn)表明，地震前張裂隙的產(chǎn)生為流體的運(yùn)移提供了足夠的空間，當(dāng)超臨界流體快速進(jìn)入新裂隙時(shí)，由于空隙壓力突然變低，會(huì)引起膨脹產(chǎn)生(超)低頻波，這就為流體的超激發(fā)假說(shuō)提供了斷裂力學(xué)的支持[15]。

4 殼內(nèi)波導(dǎo)層——低頻前驅(qū)波傳播的通道

低頻前驅(qū)波傳播可能有兩個(gè)通道:一是較淺的地殼;二是地殼下某個(gè)波導(dǎo)層[16]。目前與低頻前驅(qū)波傳播有關(guān)的導(dǎo)波通道有低速斷層、殼內(nèi)低速層、承壓含水層等。

4.1 低速斷層圍陷波的頻散效應(yīng)

斷層圍陷波(fault zone trapped waves)，是沿?cái)鄬訋?nèi)部傳播的Love型面波，是圍陷波在低速斷層帶和高速圍巖之間的邊界上的多次反射波相干疊加所產(chǎn)生的。斷層圍陷波起源于多次反射的相干疊加，因而其優(yōu)勢(shì)頻率必然與斷層帶的寬度及其內(nèi)部介質(zhì)的速度有關(guān)。斷層帶越寬，或斷層帶內(nèi)部介質(zhì)速度越低，則觀測(cè)到的斷層圍陷波的優(yōu)勢(shì)頻率越低，斷層圍陷波的頻率為1.5～1.8 Hz。眾所周知，破壞性地震常常發(fā)生在斷層帶上。這是由于斷層作用使地殼發(fā)生變形，導(dǎo)致巖石的巖性、孔隙壓力和地震波速度的變化。斷裂帶內(nèi)部的速度都低于外部的速度，顯示了沿?cái)鄬觽鞑サ膰莶ǖ念l散特征，即圍陷波的低頻部分比高頻部分傳播得快[17]。

李松林等[18]利用斷層圍陷波研究了昆侖山口西8.1級(jí)地震破裂面，結(jié)果表明:(1)無(wú)論是人工地震震源還是天然地震震源，只要位于斷層帶內(nèi)或緊靠斷層帶，均能激發(fā)斷層圍陷波;(2)斷層圍陷波的能量主要集中于斷層帶內(nèi)，其振幅隨測(cè)點(diǎn)與斷層帶距離的增加而急劇衰減;(3)斷層圍陷波的優(yōu)勢(shì)頻率與斷層的寬度及斷層帶內(nèi)介質(zhì)的速度有關(guān)，斷層帶越寬，或斷層帶內(nèi)部介質(zhì)速度越低，則觀測(cè)到的斷層圍陷波的優(yōu)勢(shì)頻率越低;(4)斷層圍陷波存在著頻散現(xiàn)象。

4.2 殼內(nèi)低速層是強(qiáng)導(dǎo)波通道

層狀介質(zhì)地層中的導(dǎo)波(guided wave)更具特色。它傳播遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng);不僅攜帶了較多的地層信息，而且能夠較容易地被激發(fā)和接收。在實(shí)際的層狀介質(zhì)地層中，特別是地表下出現(xiàn)低速層時(shí)，除這種模式波外，還存在陷模波，這種陷模波往往對(duì)應(yīng)于沿著地表下某一層面的延伸方向傳播的導(dǎo)波[19-20]。

Johnson等[21]在科羅拉多(Colorado)完成的跨井實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)井孔中(包括發(fā)射井和接收井)的斯通利波(Stoneley wave，又稱管波(tube wave))和沿地表下低速層中傳播的導(dǎo)波可以相互轉(zhuǎn)化，它們是強(qiáng)烈地耦合在一起的;沿低速地層傳播的導(dǎo)波是耦合在井孔中的管波的主要機(jī)制。

4.3 承壓含水層的波導(dǎo)效應(yīng)

在一定的水文地質(zhì)條件下，承壓含水層可以概化為水平層狀的平板型波導(dǎo)(波導(dǎo)是指界面受到限制的波傳播空間。構(gòu)成波導(dǎo)的介質(zhì)及其界面可以是流體、固體或流體與固體的集合體)，承壓含水層是飽含流體的多孔介質(zhì)的波導(dǎo)。粘滑前的預(yù)滑與破裂前斷裂的預(yù)擴(kuò)展、震前短臨階段的亞臨界擴(kuò)展等地殼應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生的前驅(qū)波進(jìn)入含水層后，可簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧平面波，并設(shè)前驅(qū)波在頂?shù)装暹吔缦拗频暮畬又醒厮椒较騻鞑?。由于含水層與其頂?shù)装迓曌杩勾嬖诿黠@差異，前驅(qū)波在頂?shù)装褰缑姘l(fā)生多次全反射。波的絕大部分能量集中在含水層內(nèi)傳播，很少向圍巖輻射。在含水層中相互疊加、相長(zhǎng)干涉，形成一個(gè)強(qiáng)的干涉擾動(dòng)，從而構(gòu)成了含水層波導(dǎo)層。前驅(qū)波沿著這一層狀展布的含水帶能傳播較遠(yuǎn)的距離，承壓含水層具有波的制導(dǎo)能力[22]。

4.4 井水位前驅(qū)波傳播機(jī)理

研究結(jié)果表明，灰?guī)r含水層觀測(cè)井對(duì)前驅(qū)波的響應(yīng)幅度大于其他巖性的含水層，甚至是砂巖含水層的幾十倍。這是因?yàn)榛規(guī)r井不但水體相當(dāng)大，而且含有許多溶洞，使得含水層內(nèi)水體連通性非常好，因此響應(yīng)頻帶寬。水體連通性好能給低頻波的傳播提供最佳通道，這也是井水位在強(qiáng)地震前記錄前驅(qū)波的必要條件?，F(xiàn)有的觀測(cè)資料也證明，能記錄到強(qiáng)震前前驅(qū)波現(xiàn)象觀測(cè)井的含水層巖性多以灰?guī)r為主。井水位前驅(qū)波現(xiàn)象所反映的地震多以強(qiáng)遠(yuǎn)震為主。根據(jù)波在固體介質(zhì)中傳播的理論，波的傳播特征與波的頻率有關(guān)，低頻波更易傳播到遠(yuǎn)距離。強(qiáng)震前前驅(qū)波現(xiàn)象的形成取決于大震前斷層運(yùn)動(dòng)的方式;強(qiáng)震前前驅(qū)波現(xiàn)象是短臨階段的亞臨界擴(kuò)展激發(fā)的;只有具備低頻波傳播條件的觀測(cè)井，才有可能記錄到前驅(qū)波。因此較遠(yuǎn)地區(qū)強(qiáng)震前前驅(qū)波的記錄也就不難理解[6]。

5 存在的問題

大量的研究表明低頻前驅(qū)波具有主震震級(jí)范圍寬(4.9至8.4級(jí))、周期范圍大(幾分鐘至幾十分鐘)、出現(xiàn)時(shí)間分布范圍寬(震前幾分鐘至十幾天)、有效觀測(cè)距離大(40～8000 km)等特點(diǎn)。前驅(qū)波觀測(cè)與研究對(duì)地震短臨預(yù)報(bào)具有特殊意義。本文僅根據(jù)一些學(xué)者理論與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果對(duì)前驅(qū)波傳播機(jī)理進(jìn)行了粗略概述，但是，要把此項(xiàng)研究工作用于地震短臨預(yù)測(cè)仍存在以下幾個(gè)問題:

(1)地震發(fā)生前的短時(shí)間內(nèi)震源附近經(jīng)歷了什么樣的物理過(guò)程?應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)是如何演化的?是否如人們?cè)诎鍓K俯沖帶預(yù)測(cè)的那樣，在大陸走滑斷裂帶內(nèi)也存在一個(gè)鎖定層與蠕滑層間的轉(zhuǎn)換層，其間不定期發(fā)生的慢滑移事件將應(yīng)力負(fù)載轉(zhuǎn)移到位于其上面的鎖定層，從而引發(fā)鎖定層的失穩(wěn)，觸發(fā)地震?

(2)脈動(dòng)事件究竟是源于構(gòu)造應(yīng)力作用下的剪切滑移還是水壓破裂仍存在爭(zhēng)議，脈動(dòng)發(fā)生的位置也有不同研究結(jié)果。

(3)前驅(qū)波的機(jī)制十分復(fù)雜，許多問題還處于探討階段。對(duì)前驅(qū)波的了解及地震應(yīng)力積累的知識(shí)還很缺乏。目前還不清楚前驅(qū)波在哪里發(fā)生?前驅(qū)波是罕見的還是經(jīng)常性的?能量是大還是小?為什么會(huì)發(fā)生前驅(qū)波?前驅(qū)波是否能預(yù)報(bào)地震?這些都是目前尚未有結(jié)論的問題。

(4)從已有的記錄資料可知:前驅(qū)波可以是地震前兆，與地震有直接關(guān)系。但有時(shí)前驅(qū)波并不伴隨地震發(fā)生。這可能意味著前驅(qū)波的作用具有雙重性。要充分了解前驅(qū)波機(jī)制，需要進(jìn)行更細(xì)致的研究。

(5)迄今為止，我們積累的前驅(qū)波的觀測(cè)資料并不很多，其原因是前驅(qū)波的深入研究有賴于地震觀測(cè)儀、應(yīng)變儀、重力儀和大地測(cè)量?jī)x的改進(jìn)，以及與GPS、InSAR等的聯(lián)合觀測(cè)。而目前的地震儀器均難于適宜前驅(qū)波的觀測(cè)。

6 幾點(diǎn)建議

根據(jù)前述前驅(qū)波研究中存在的問題，提出如下幾點(diǎn)建議:(1)選擇物理量。地震儀一般記錄的是地面位移，觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)均證明不如形變記錄和地下水位記錄。(2)配備寬頻帶、高靈敏度和高精度的傳感器。(3)記錄位置處于低頻波傳播的最佳路徑或通道。大氣層可能是最適合次聲波傳播的通道，松散的沉積層或砂層是最適合低頻形變波傳播的通道。(4)要建立一定規(guī)模的觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)，單臺(tái)是沒有預(yù)測(cè)意義的。(5)將前驅(qū)波作為地震科學(xué)攻關(guān)的重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行有組織的、目的明確的、系統(tǒng)的觀測(cè)和研究。

(作者電子信箱，張淑亮:shuliangz@yahoo.cn)

[1]Kizawa T.大地震前后重力儀的記錄.國(guó)外地震，1972(1):39-41

[2]Crescentini L，Amoruso A，Scarpa R.Constraints on slow earthquake dynamics from a swarm in Central Italy.Science，1996，286:2132-2134

[3]McGuire JJ，Ihmle PF，Jordan TH.Time-domain observations of slow precursor to the 1994 Romanche transform earthquake.Science，1996，274:82-85

[4]楊又陵，趙根模，高國(guó)英，等.2001年11月14日昆侖山口西M8.1級(jí)地震前的緩慢地震事件.國(guó)際地震動(dòng)態(tài)，2003(9):1-4

[5]車用太，金魚子，張淑亮，等.山西朔州井水位的“前驅(qū)波”記錄及其討論.地震學(xué)報(bào)，2002，24(2):210-216

[6]張淑亮，范雪芳.井水位長(zhǎng)周期事件記錄及其機(jī)理的討論.地震，2003，23(4):85-90

[7]馮德益，潘琴龍，鄭斯華，等.長(zhǎng)周期形變波及其所反應(yīng)的短期和臨震地震前兆.地震學(xué)報(bào)，1984，16(1):41-57

[8]郭增建，秦保燕.大震前予位移的討論.西北地震學(xué)報(bào)，1979，1(2):34-40

[9]蘇昉，田維.2000年7～9月強(qiáng)地震的前兆次聲波測(cè)量研究.地震研究，2002，25(1):11-19

[10]劉萬(wàn)琴，李世愚，鄭治真，等.破壞性礦震震前短臨階段震源過(guò)程研究.地震學(xué)報(bào)，1999，21(1):57-64

[11]李世愚，滕春凱，盧振業(yè)，等.典型構(gòu)造微破裂集結(jié)的實(shí)驗(yàn)研究.地震學(xué)報(bào)，2000，22(3):278-286

[12]馬勝利，劉力強(qiáng)，馬瑾，等.均勻和非均勻斷層滑動(dòng)失穩(wěn)成核過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究.中國(guó)科學(xué)，2003，33(增刊):45-52

[13]許昭永，梅世蓉，楊潤(rùn)海，等.遠(yuǎn)場(chǎng)和超遠(yuǎn)場(chǎng)前兆的模擬實(shí)驗(yàn)研究.地震研究，2001，24(4):332-337

[14]唐林波，李世愚，蘇昉，等.強(qiáng)地震前兆低頻波的實(shí)驗(yàn)研究.中國(guó)地震，2002，19(1):48-56

[15]李紅，李世愚，許征宇，等.高圍壓下巖石材料的斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn).地震學(xué)報(bào)，1992，14(1):124-127

[16]韓元杰.預(yù)滑與地震前兆——長(zhǎng)周期波動(dòng)研究.西北地震學(xué)報(bào)，1984，6(1):18-24

[17]樓海，王椿鏞，丁志峰，等.昆侖山斷層圍陷波的分析和研究.地球物理學(xué)報(bào)，2006，49(3):788-796

[18]李松林，張先康，樊計(jì)昌.利用斷層圍陷波研究昆侖山口西8.1級(jí)地震破裂面.地震學(xué)報(bào)，2005，27(1):42-50

[19]張碧星，喻明，熊偉，等.多層介質(zhì)地層中有低速層出現(xiàn)時(shí)的陷模研究.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，1998，8(2):340-346

[20]張碧星，魯來(lái)玉.層狀半空間中導(dǎo)波的傳播.聲學(xué)學(xué)報(bào)，2002，27(4):295-304

[21]Johnson PA，Albright JN.In:Proceedings of SEG 57th Annual International meeting.1987:22-27

[22]簡(jiǎn)文彬，陳葆仁，盧華復(fù).承壓含水層波導(dǎo)及其地聲響應(yīng)研究.地震學(xué)報(bào)，1997，19(3):309-316

Review of the research on the propagation mechanism of low-frequency precursory waves

Zhang Shuliang1，2)，Li Bin1，2)，LüFang1，2)
1)Earthquake Administration of Shanxi Province，Taiyuan 030021，China
2)National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan，Taiyuan 030025，China

From the aspects of propagation theory and experiments of low-frequency precursory waves，a review of the research on its propagation mechanism is presented in this paper.Pre-extension of faults，bumping of over-heated liquid and pre-slipping before stick-slip earthquakes all have the possibility to produce low-frequency precursory waves.The experiments of micro-fracture concentration and sound transmission have proved that rocks can produce a type of long-period and small-amplitude low-frequency events.The low-velocity faults，low-velocity layers in the crust，confined aquifers，limestone aquifers with good connectivity of large water unit and the conductive layer of sound wave in the atmosphere are favorable for the propagation of low-frequency precursory waves.

earthquake;low-frequency precursory wave;low-velocity layer;propagation

P315.3+1;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2012.02.005

2011-06-07;

2011-08-23。

地震科學(xué)聯(lián)合基金(A08051);山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2006031106);山西省自然科學(xué)基金(2011011027);2011震情跟蹤工作項(xiàng)目(2011011401)。