中国地震局 谢富仁 邱泽华 王 勇 苏恺之:我国地应力观测与地震预报
(2008-05-26 20:59:58)
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来源:http://www.cea.gov.cn/kewei/shownew.asp?new_id=38&sort_id=14
更新日期:2005-4-25 17:40:44
检索日期:2008-5-26
我国地应力观测与地震预报
谢富仁 邱泽华 王 勇 苏恺之
(中国地震局地壳应力研究所)
一、发展历史
我国是最早开展地应力连续观测并将其用于地震预报的国家。1962年3月19日广东新丰江6.1级地震后,由广东765地质大队和第八物探队共同组成广东新丰江地震队,同时组建了广东新丰江试验观测站。1965年黄力生出任站长,在坑道内试验性观测,进行水平向电感地应力测量,取得了一定的经验。1966年3月8日发生了邢台6.8级大地震,整个华北及邻近地区强烈有感.邢台震区房屋倒塌严重,人民生命财产遭受巨大损失。党中央,国务院高度重视。李四光教授提出了用电感法地应力测量进行地震预报研究的思路。3月15日急速在邢台地区建立了隆尧应力站,由地质部地质力学所廖椿庭同志负责,开始了第一个钻孔电感地应力测量,3月21日邢台发生7.2级强烈地震,位于极震区的隆尧电感地应力测量已取得了六天宝贵的资料,1966年6月由地震地质大队派出朱英枢、刘绍兴、蔡火片、吴已让等同志正式开始了隆尧站地应力观测。李四光教授根据电感地应力测量前兆观测的实践和电感应力套芯法的实测,确定地壳里确实存在地应力,用电感地应力测量法能测到地应力的变化,其后在隆尧应力站进行了不同深度,不同尺寸(大小框架)的电感地应力测量。同时也利用钢弦法、超声波法、电阻片法等不同方式进行地应力测量试验,力求选取最佳方式测量地应力变化。
在此后的短短的几年之内,地震地质大队在国内十三个省市区建立了三十九个地应力观测站。为了更好的促进地震事业的发展,发挥中央和地方两个积极性,根据中央地办的指示精神,地震地质大队于1972年元月1日将除隆尧站、昌平站、三河站以外的所有台站移交地方政府管理。
1975年初,地震地质大队决定在北京海淀区温泉村建立地应力综合试验观测台。相继开展了压磁式地应力观测和电容式、体积式、水声、井温、土层体积式、水位、测震等7项实验性观测,为地应力新方法的研究提供了宝贵的观测依据(该台1981年撤销)。
1984年经国家地震局批准,在昌平站的基础上建设我国地应力标准台,增上了五种高精度第二代钻孔应变仪,实现了“观测、研究与预报”相结合的设想。
八十年代后期开始,我国先后研制成功五种钻孔应变仪,其性能经鉴定达到国际先进水平。我国研制的体积式和分量式两种钻孔应变仪的观测资料表明,它们能纪录到清晰的钻孔应变固体潮汐、地震应变波、同震应变阶。纪录结果的理论固体潮汐分析结果表明,它的观测应变精度不低于10-9。压容应变仪各受力元件与不受力的悬空元件的纪录资料表明,它的日漂移通常低于10-8甚至可达10-10,仪器的年漂移小于10-7。体应变仪的固体潮观测精度已与硐室石英伸缩仪相当,有的已与重力仪的资料相当,即潮汐因子的中误差已达10-9的水平。
目前我国有41个用于地震预报的地壳应力应变连续观测站,46套钻孔应力应变仪器在运行。其中除16套压磁应力计属于中等灵敏度的应力观测仪器外,其余30套均为高灵敏度的钻孔应变仪,包括19套体积式应变仪和11套分量式应变仪。这些台站分布在全国11个省市,大都位于地震多发地区。在多年的观测中,积累了大量的应力应变随时间演化的资料,包括丰富的地震前兆信息,各级分析预报人员据此进行了多次成功的预报。由于台站密度过稀,这些资料只能作为前兆观测手段之一予以利用,还远不能满足应力场变化研究的要求。
二、预报实例
1. 我国第一个研究和进行地震预报的地应力中心实验观测站
隆尧台台址是由原地质部部长著名科学家李四光先生选定的。他经过实地考察和地质力学理论分析认为:隆尧尧山的出现不是孤立的,而是地下构造体系突出地表的部分,在这个地方可以观测到构造体系的地应力活动。隆尧台距1966年3月8日河北隆尧6.8级地震震中约10余km,附近是采石埸和石灰厂。隆尧地应力观测台始建于1966年3月15日。最初测孔深约2m,安装了一套三分量压磁应力元件夹角互为60进行地应力观测。
隆尧台建立不久,据周恩来总理的指示,当时的大队党委书记朱林青曾亲自指挥了排除干扰的攻关工作。隆尧台地应力观测曲线的说明刊登在当时(1966年)国务院秘书厅编印的《简报》上,并上报中央。1966年3月下旬的一个晚上,周总理接到了隆尧台地应力观测曲线下降和其它网点报来的异常信息,经与李四光部长研究后确定在震区发布预报。结果于当晚,在邢台老区发生了6级多地震。这是我国第一次发布地震临震预报的尝试,并获得成功。
2. 1976年上半年,地震地质大队根据华北地区的地应力观测,形变测量及土应力的异常反映,结合京津地区的地震地质条件,多次进行会商,并于7月14日向国家地震局提出了预报意见:
时间:1976年7月20日左右;1976年8月5日左右
地点:(1)集宁-繁峙-涿鹿-张家口一带;(2)宝坻-乐亭-及渤海地区
震级:5级左右
结果于1976年7月28日在唐山发生7.8级地震。青龙县政府据此预报意见和其他单位的异常分析预报意见组织全县群众搬出住房,产生了地震时人畜伤亡很少的减灾效果。
3. 新疆钻孔应变观测始于1984年,曾先后在乌什、库尔勒、乌鲁木齐、石场、克拉玛依等地建立台站,至今已有20年的观测资料。使用仪器为中国地震局地壳应力研究所研制生产的RZB-1型分量式钻孔应变仪。自观测以来的20年间经历了5级、6级、7级乃至8级地震。在部分强震前,钻孔应变仪记录到了清楚的异常,以此为依据震前曾做出了较好的预报。
1985年以来,新疆境内发生6级以上强震及邻区发生7级以上强震30次,在19次地震前记录到明显异常,占63%。其中,天山地震带上有17次地震,有明显的地震前兆记录的13次,占76%,钻孔应变台站均分布此带上,对地震的震前异常记录效果更好;昆仑山地震带上有9次地震,其中5次地震前记录到应变异常,占56%。阿勒泰地震带上有4次地震,均无异常记录。可见钻孔应变的映震能力是比较强的。
根据应变异常特征,震前提出预报意见的12例,占全部30次地震数的40%。震前提出明确的预报意见且预报正确的仅8例,占全部30次地震的27%,占天山地震带17次地震事件的47%。占有异常地震数的42%。
此外,钻孔应变观测在四川、甘肃、吉林等地区的地震预报中亦发挥了十分突出的作用,取得了明显的减灾效益。
三十多年的地震预报实践表明:钻孔应变观测在地震预报中是有效的;观测的物理量是清楚的;在特定构造区域对地震预测的监控能力是较强的。
三、我国地应力观测面临的主要问题
尽管我国地应力观测预报地震起步较早,也取得一些令人兴奋预报结果,但由于历史的原因,这一方法手段并没有得较好的发展。相对其他监测手段,地应力观测技术的发展受到明显的制约。面临的主要问题包括:
1. 我国的地应力测量缺乏统一布局,分布比较零散,测量深度较浅,因而不能满足研究区域应力场空间分布的要求。
2. 用于地震预报的应力连续观测台站数量稀少,各个台站测量的结果不能形成连续的变化场。
3. 需要在统一的规划下开展对全国和一些主要构造块体中应力场的空间分布进行深入的研究。
4. 需要深入系统地开展应力场理论与地震发生机理之关系研究。
四、国际发展现状
以科学研究为目的的地应力原地测量工作在国外,特别是日本和美国开展得相当广泛。在日本,为进行地震预报基础研究所做的地壳应力测量始于1978年前后,直到现在一直将地应力测量纳入地震预报计划。在东京附近的首都圈及关东东海地区主要是由国立防灾研究所和地震调查所实施,而西部则主要以京都大学为中心联合各大学进行,主要负责关西地区。
从1978年开始,东西日本每年大约各进行2至3个测点的原地应力测量。近二十年来在全日本大约进行了近100个测点的应力测量。测量的最大深度为2000米(足尾)。从1978年开始,日本还进行了应力变化的观测,应力变化可通过反复测量或连续观测得到。田中丰等1978年以来对平本矿山及宝殿测点进行了多次重复测量。并讨论了根据地壳应力变化、地形变观测结果预测大地震的发生。1995年阪神地震以后,以经验分析为主要手段的传统地震预测方法受到严峻的挑战,舆论对应力测量更加重视。近年来仅在震中区的淡路岛及神户附近,就在13个1000米左右的钻孔中进行了应力测量工作。
美国也早已将地壳应力测量纳入地震预报观测计划,从七十年代初期,美国地质调查局(门罗帕克)就在加利福尼亚的圣安德烈斯断裂附近应用水压致裂法进行了一系列的原地应力测量。斯巴尔(Sbar)采用应力解除法也在圣安德烈斯断裂带附近进行了原地应力测量。美国在洛杉矶附近进行的3500米深钻孔的科学深钻计划也将水压致裂原地应力测量作为重要的研究项目之一。通过这一系列的原地应力测量,佐巴克等讨论了圣安德烈斯带断层系的应力状态。佐巴克等为研究水库诱发地震还在南卡罗莱纳州蒙蒂西洛水库附近的两个1100米深井中进行了原地水压致裂应力测量,并根据应力测量结果讨论了该地诱发地震的成因、发展趋势、震级大小等。经近二十年的实践,证明他们的认识是正确的。
从七十年代开始日本美国等国家在地震前兆监测中广泛使用了钻孔应变连续观测。日本于1974年在首都圈安装了31套钻孔体应变计,并配有先进的数据传输和记录分析系统。这一局域台网自投入运行至今从未间断。自八十年代初开始,将小震活动与体应变变化速率两项作为首要的短临预报判据。日本对钻孔应变仪的研制工作自八十年代初至今未曾间断。防灾研究所的坂田正治博士于八十年代中期研制成功三分量应变计,现已在首都圈安装5套,并在此基础上研制了井下综合观测仪(IBOS),内含应变、倾斜、温度等多种观测仪器,井深达近千米,至1996年已安装3套。东京大学防灾研究所的石井博士于九十年代初研制出小型化电容应变仪,至1996年已安装15套。防灾研究所的坂田正治目前正与俄罗斯激光研究所共同研制激光式钻孔应变计,将安装在1000 米或更深的钻孔中。
阪神地震后日本大大增强了地震预报计划的力度,将在全国建设1000 多个包括连续应变观测在内的前兆观测台站(重点地区间距为20-30 公里,一般地区 30-50 公里),并加紧实施在首都圈安装13个深孔(1-2千米)综合观测装置。为了完善东京四周的观测网,将在日本海中布设装备宽频带地震仪、电磁波观测仪及体应变仪的海底观测网络,仪器将安装在海面下2 公里(水深1公里,岩层1公里)的钻孔中。日本海沟的地震耦合系数较小,即有相当部分的板块间运动是以非地震的方式实现的,同时安装的地震计和应变计将能更好地对地震及非地震行为同时进行观测。
美国目前在加利福尼亚的5个地区(主要是沿圣安德烈斯断层)共安装了26套钻孔应变计,钻孔深度在117至324米。高频率采样信号在当地存储,10分钟采样的信号通过卫星传输到门罗帕克公园地调局进行实时显示和分析。美国国家自然科学基金会和美国联邦地质调查局新近开展的“板块边界观测计划”(PBO),亦是通过加密GPS观测网与布设175个钻孔应力应变观测相结合,了解板块边界上地震活动时地壳应力应变的变化状况。
此外,冰岛的Crampin教授利用剪切波分裂中微裂纹的几何变化效应,提出了“应力预报”地震的方法,并用这种方法成功的预报了冰岛西南部Mb≈5级地震的震级和时间的预报。Crampin教授还提出应力监测台网可以像气象台网进行天气预报和风暴预测那样进行地震预报的构想。
目前世界范围的钻孔应变连续观测,除记录到了震时应变波应变阶外,还捕捉到了一些与地震相联系的异常应变事件、断层蠕变及慢地震信号等,为研究断层力学行为、地震成核过程及震源机制等提供了有用的资料。但是迄今为止台站数量还较少,没有形成真正的观测网络,还不能满足地震研究的需要。
五、发展构想
地震预报是世界难题,但地震不是不可预报的,我国在地震预测方面具有长期的积累,业已建立了经验性的预测体系。在这一体系的指导下,成功地预报了海城7.3级地震(1975),这是人类历史上第一次具有科学意义和明显社会效益的强震预报;同样是在这一体系的指导下,对唐山7.8级地震(1976)却没有做出成功的预报。这两次地震的预报成功与失败,反映了目前国际经验性地震预测研究的水平。由此暴露出来的突出问题是:一是缺乏高质量、有效的、足够数量的反映地震前兆信息的观测数据;二是对地震发生的机理认识不清;三是没有建立一个科学的预测预报地震的思路。
解决地震预报问题关键首先是需要有一个科学的思路,在科学思路指导下,利用先进的科学观测技术,捕捉地震发生前的各种征兆。地震是岩石圈断裂在构造应力作用下突发失稳的结果,岩石圈是地震孕育和发生的母体,地震则是岩石圈动力作用的表现方式之一。“地震之所以发生,是地壳某地点的岩体或岩层剧烈变形,这个变形总得有力的作用才有可能发生。我们很难设想,这个力来自几百分之一秒这一瞬间,他总得有一个逐步加强的过程,即积累过程”,大量科学观测与研究证明李四光教授的这一想法是正确的。尽管,地球是一个具有自组织临界性的复杂临界系统,临界性使对临近大地震发生时间、震级和位置的确定性预测相当困难,但对一定震级能量释放来说,大地震不可能发生在没有足够应力积累的地区。既然存在构造应力积累、集中、加强的过程,就应该在地震危险区布设应力监测台网,寻找和确定当前地应力的集中区,并追踪地壳应力状态的变化,从而做出具有物理依据的判断。当然,地震现象也十分复杂,需要多学科联合攻关。就地震预测而言,还需要搞清震源结构特征、地震孕育与发生的复杂过程,还需要研究地震过程中地应力变化的规律,不断提高我们监测地应力的能力,尤其需要提高捕捉深部震源区应力变化信息的能力。
地震预测是一门以观测为基础科学,需要建立在具有获取高质量、连续的、系统的、足够数量的反映地震前兆信息的观测数据能力基础上。因此合理的布设台网,在科学思路指导下上哪些观测手段,就显得尤为重要,而不是一有项目,就一窝蜂上各种手段,结果是那种方法都得不到系统的发展,地震预报的科学含量未获增加。在此建议:地震观测台网的布局要强调科学性,不能片面追求覆盖面,台站之间距离过大,台站手段不配套,观测资料缺乏互相对比,无法验证其可靠性,物理意义说不清楚,导致地震预测只能停留在经验性的水平上。我国应尽快发展由钻孔应变和GPS连续观测组成的应力应变观测系统,选择重点地区建立应力应变监测网,动态产出应力应变场图像,并综合其他学科的观测与研究结果,建立具有物理意义和预测功能的地震灾害分析模型,实现具有物理基础的数值地震预报,为国家的防震减灾事业做出我们应有的贡献。
地震预测是一门探索性很强的科学,因此开展地震预报试验场工作十分必重要。我国是一个大陆地震十分活跃的国家,是开展地震预测研究理想地区。选择中国大陆典型地震构造区,通过综合探测,剖析发震构造,测量应力状态,观测震源区物理化学变化,建立地震综合观测及预测预报试验场区,研究强震孕育机理,预测地震危险性。必须重视观测资料的对比,这是科学性的具体表现。一方面要注意同一台站不同仪器观测资料的对比,更要注意不同台站相同仪器观测资料的对比。国外一些重要事实(例如慢地震)的发现,都是有两个以上观测点的相同仪器同时观测到的,因而具有说服力。这要求台站距离近,最好为数公里~几十公里。建设实验场是实现对比观测的一个重要方式,比较成功的例子是日本气象厅利用美国Sacks-Evertson应变仪在东海地区建立的高密度应变观测网,已经初步实现了在台站之间观测资料可比基础上绘制体应变变化等值线图,在地震前兆研究方面取得了有意义的成果。建设实验场,一方面解决台站观测代表范围的问题,另一方面也可以探索直接研究地震前兆的变化图象。关键是密度要足够高,可以借鉴日本的实践经验。