地球物理学报  2010, Vol. 53 Issue (8): 1749-1766   PDF    
强烈地震孕育与发生的地点、时间及强度预测的思考与探讨
滕吉文     
中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
摘要: 进入21世纪以来, 全球范围内强烈地震频频发生, 势已进入到一个新的地震活动时期.我国大陆内部、周边和台湾岛内一系列强烈地震(MS≥6.5)的发生, 特别是2008年5月12日汶川MS8.0大地震的突发与其震前的异常平静表明:地表与上地壳均未见有明显的或确切能构成短、临强烈地震预测的浅表层活动过程, 大地震由深部壳、幔物质运动, 即深层动力过程所致.基于对强烈地震孕育、发生和发展的初步研究提出:(1)面对强烈地震的预测必须强化震源深部介质和构造环境的研究与探索, 以达对未来地震发生地点的预测.(2)在地震强烈活动地区长期坚守介质破裂效应及其派生物理响应的井中观测, 即"抚模"震源区介质与结构的动态"脉搏", 以达对地震发生时间的逐步逼近或预测.(3)深入剖析强烈地震活动区、带、点的深、浅层空间结构与动力过程, 历史地震在地震活动地域的纵向和横向的分布特征及可靠前兆信息的同步性经验和统计效应与发展态势, 以对未来强烈地震发生强度的估计.这三个方面均必须以地壳深部信息的采集和研究为前提, 是地震学和地震预测深化研究与探索的必经之途!
关键词: 强烈地震孕育      深部介质和构造环境      介质破裂效应      动力机制      地震预测     
Ponder and research on the genesis and occurrence of strong earthquakes and the prediction of their place, time and intensity
TENG Ji-Wen     
Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
Abstract: In the 21st century, strong earthquakes occur frequently in the world, especially in the region of southeastern Asia, and it has been into a new period of earthquake activities. Considering the serial of earthquakes (MS≥6.5) occurred in China continent, surrounding and Taiwan island, especially the outburst and abnormal peace in advance of Wenchuan MS8.0 earthquake of May 12, 2008, we can see that there is little shallow active process on surface and in upper crust that can be detected for short-term earthquake prediction, thus this earthquake is totally the result of the movement of deep crust-mantle substance. Based on the preliminary findings of preparation, occurrence and development of strong earthquakes, we propose that: (1) enhance the research of deep substance and tectonic environment in regions of strong earthquake activities, so that to predict the place of future earthquakes; (2) persistently monitor the fracture effect of medium and derivative physical-mechanical response in regions of strong earthquake activities, so that to predict the time of future earthquakes; (3) deeply analyze the deep and shallow space structure and dynamical process in regions of earthquakes activities, the vertical and lateral distribution feature synchronism of reliable precursory information, empirical, statistical effect and developing trend, so that to predict the intensity of future earthquakes. These three aspects mentioned above are necessary for the deep study and probe in seismology and earthquake prediction, but the premise is collection and study of deep information in crust..
Key words: Preparation of strong earthquake      Environment of deep medium and structure      Rupture effect      Dynamical mechanism      Earthquake prediction     
1 引言

全球步入21世纪地震活动期以来,强烈地震频频发生,造成重大人员伤亡.例如2004年12月26日的印度洋地震海啸导致约23万人丧生,2006年5月27日的印尼爪哇岛6.2级地震导致5782人死亡,2007年8月15日的秘鲁8.0级地震导致510人死亡,2010年1月12日的海地强震造成约20万余人死亡.我国是一个地震十分活动和强烈地震多发的地域,自2001年昆仑山口西MS8.1级大地震发生后,又于2008年5月12日14时28分在四川汶川-映秀地带(北纬31.0°,东经103.4°)发生了MS8.0级大地震,不仅造成了8万人的死亡,37多万人受伤,4500多万人失去了家园,导致近万亿元的财产损失,而且一系列的次生灾害又给抗震救灾、恢复生产和重建家园带来了极为严重的影响.当今人们应当清晰地认识到,进入21世纪以来,强烈地震的发展势态是十分严峻的.

本文将以国内几大地震为例,探讨强烈地震的预测,即地震发生的地点、地震的震级、地震发生时间的预测,并求得初步的和不断深化的规律性认识,以逐步逼近上述三要素的预测.同时也还必须清晰地认识到找到预测的切入点,并攻克它.为此当今地震预测尚未步入物理预测之际,则必须将地震预测和防震研究并轨[1],以达最大限度地减少人员的重大伤亡和经济损失.

2 强烈地震发生地点的预测探讨

我国大陆由于受到太平洋板块、印度洋板块和欧亚板块的共同作用,在构造格局上形成了破碎的镶嵌块体,构成了我国地壳与上地幔结构和地球物理场的强烈变异与特殊界带,为此导致深部物质重新分异、调整、物质与能量的强烈交换,并呈现出大陆特异的板内构造格局以及大型断裂和构造体系的错综展布.为此,穿越地平线,钻到地球内部去揭示地震孕育、发生和发展迫在眉睫.

高精度的人工源地震深部探测当今也只能限于地壳深度的探测,人类至今还不能深入到处在高温、高压状态下的地球深处去直接进行观测[2].前苏联在科拉半岛曾打过一口超深钻井,深达12.2km,后联邦德国在与捷克相邻的边界地带,即在巴伐利亚北部的上普伐尔茨结晶岩中也打了一口超深钻井,其终孔深度为9100 m.地震孕育、发生和发展的深部介质和构造环境及其深层动力过程的探索是十分艰难的、复杂的,而且是多元的[3].为此利用地震波动的射线穿越地球内部不同物理属性和空间的介质结构,通过反演以精细刻划其所经过的介质与构造环境,并寻求其规律性,进而对地震孕育和发生地点的概率预测十分重要[4~23].

具破坏性的强烈地震多发生在地下10km到几十公里深处,要掌握强烈地震的内在规律,必须把握震源区及其周围深部介质与结构及其内力作用的脉搏.然而,至今尚未能找到量化防震减灾和预测强烈地震发生的运动学和动力学模型,也尚未发现控制其孕育、发生和发展的标志性定量要素以及边界条件和约束.半个世纪以来的实践推进了这一领域的发展,并确实已取得了一定成效,如海城MS7.3强烈地震的预报(尽管是经验性的)等.但至今世界上成功预报强震的例子还很少.

地震发生的震源深度可分为:浅源地震(基本上发生在地壳内部),中源地震(主要发生在上地幔),深源地震(可发生在上地幔与上下地幔之间或过渡层中;如我国东北深源地震深度最大为600km左右).这些不同构造单元地区、不同震级和不同震源深度的地震,其发生的力源机制,即断层面解亦千差万别.

这就是说把握地震孕育、发生和发展的深部介质与构造环境的惟一出路是通过地震波场来探测震源及其相邻地域的地壳与上地幔的精细结构、介质属性和变异特征.国际上著名的俄国地震学家伽利津在他的地震学讲义中曾这样说过:“可以把每个地震比作一盏灯,它燃着的时间很短,但却照亮着地球的内部,从而使我们能观察到那里发生了些什么,这盏灯的光亮虽然目前尚很黯淡,但勿庸置疑,随着时间的流逝,它将会越来越明亮,并将使我们能明白这些自然界的复杂现象……”.这的确是一个非常富有诗意的贴切比喻,它对广大的地震学家来说当必为一个启迪!

2.1 我国几个强烈地震区的深部结构和深层动力过程的初步探讨 2.1.1 邢台地震区的深部结构与深层动力过程

(1)地壳与上地幔结构.1966年3月22日在邢台发生了7.2级强震,震后进行了人工源地震反射波速度场的深部探测,取得了该区复杂的深部介质结构和分层速度分布.这里Moho界面埋深为35~38km,最深处为38~47km,震中区相对隆起,壳内存在低速层和高速梯度夹层[6, 7],上地幔软流层埋深为83km,其层速度为7.2~7.4km/s.地震宽角反射与折射的二维速度结构研究也证实在上地壳中存在一个宽30km,厚6.5km低速体[8, 9].结果表明(图 1),邢台地震区被几条伸抵上地幔顶部的深、大断裂切割成几个块体,在震中区内断层有局部水平错动(3~4km),周围30km范围内恰为大小地震的震中呈准圆形分布的图像(截面),地震波视速度呈强烈不规则跳跃变化,且区内地震波的吸收系数增大,并存在着介质的各向异性.地震发生后,地表下沉达278 mm,沉降中心最大值为475 mm,但震中区两翼下降量却最大仅为30 mm,而半个世纪以来的资料累积表明仅下沉了35 mm/a.可见,由于上地幔内部物质与能量的交换、运移、上涌,使上地幔顶部局部隆起,而上部表层沉积建造却向两侧伸展,并下沉成盆.

图 1 华北平原邢台地震活动区地壳与上地幔结构剖面图 Fig. 1 The profile for crust and upper mantle structure in area of seismic activity

(2)震中区深地震反射揭示的构造特征表明[8, 9]:在宁晋-新河剖面和临城-巨鹿剖面上显示出中地壳中存在滑脱构造.后一剖面却十分清晰地表明,在双程走时图上,即从西2.5s向东一直延续到约4.0s左右,延续距离达40km;新河断裂在4s左右处终止于7.2级强震的震中处.基于由震中位置向下,其两侧地震反射段的能量、倾向和密度均存在明显差异,故推断深部存在一条伸抵Moho界面的高角度断裂,但它与浅部新河断裂却并不连通,这可能是邢台地震的发震断裂.显然,这一推断是合理的,因为它与前述“元氏-济南”地震反射速度结构剖面上所显示的深部断裂体系相吻合.

以上述已有观测资料为基础,运用有限差分和三维有限元方法进行数值模拟结果给出:地壳内部高速与低速体和深部与浅部断裂之间的耦合是导致震源区介质物理-力学性质变化和应力不均匀分布与聚集的基本要素.显然,震源区介质在力源作用下,深部物质重新分异、协调与运移,加速了地壳上部剪切弹性应力高速介质向低速介质的转移.深部近垂直方向大型断裂的水平向最大剪切值随时间的延续又可驱使深部断裂加速蠕动.这说明,深部断裂的最终蠕动可能是强震发生,并导致地表垂直位移异常强烈变化的主要原因之一[10~12].因此,邢台地震的孕育、发生和发展乃是与深部热物质沿大型断裂通道上涌,且受到上地壳介质与结构的阻隔与所构成的耦合空间所限,即为震源区及其周边地域介质与结构物理-力学属性变异和垂向与水平向力系相互作用的结果.这是因为低速体与高速介质的同时存在,在深部物质上涌作用下,有利于高应力在高速物质中高度集中,在其外围介质中仅相对集中,故形成了强烈地震孕育、发生和发展的深部有利空间.

2.1.2 海城7.3级强地震区的深部结构、构造与成因

1975年2月4日在辽宁省境内的海域发生了7.3级强烈地震.震前小震群的呈现充分反映了震源深处介质的应力作用和破裂过程.这是一次经验预报强烈地震的第一例.

(1)地壳与上地幔结构特征.由闾阳-海城-东沟剖面可见,该区地壳厚度为32~35km,海城地震区位于下辽河平原上地幔隆起区的东侧,并在此背景上海城地震震中区上地幔呈局部隆起,且为隆起的高点[13],地壳厚度为31 km,隆起幅度为1~3km.再向深部延伸则恰处于软流圈顶部(低电阻率层)隆起东侧的斜坡带上,隆起幅度竟达20km以上,沿该剖面的电性结构更具有明显差异,如上地幔高导层大幅度隆起,且顶部对应着深部的垂直向断裂,地震震源附近地带的成层高导层等.

(2)地震构造与成因分析.海城地震区地壳中存在低速-高导层,高温-低密度层,上地幔顶部速度为7.9~8.1km/s,且热流值亦高,它们可能与含水及局部熔融的花岗岩质岩石组构关切.海城地震区正位于上地幔介质横向不均匀地段(宽约70km)和低速体东端,且东西两侧地壳结构存在明显差异.由该区地壳与上地幔结构可见,地壳中的低速体呈准透镜状,而海城东侧析木下面,深度30km附近却存在一陡角度断裂,但却又未伸出地表.显见,不论是地壳内低速层(体)的呈现,还是地震的孕育、发生和发展的介质与构造环境,其在成因上均与地幔热物质上涌关切[12].

由于地幔低速层埋深为80~120km,且局部隆起,落差可达20~30km,而地震恰发生在这一隆起部位的高点附近.

2.1.3 唐山7.8级地震的深部结构与深层动力过程

1976年7月28日唐山7.8级强烈地震具有特异的深层过程和动力学响应:

(1)地壳与上地幔结构.唐山地震区地震宽角反射与折射研究结果表明,兴隆-唐山地带地壳内介质结构相当复杂,7.8级强烈地震震中区两侧均存在一低速体[14].该区地壳厚度为32~34km,在深度30km范围内,低速体下方对应着上地幔顶部的隆起区,下地壳中速度值则明显偏低.

(2)地震构造背景.近垂直反射的双程走时表明,浅部有一可连续追踪的反射界面,在共深度点1800处,在反射波双程走时3.0~6.0s之间,可能存在一陡角度的隐伏断裂,并伸抵上地幔顶部,即双程走时为0.7~2.1s附近(相当于深度1.5~5.0km)有一向东倾的正断层,在2.8~6.0s左右(相当于7.5~18km)呈现出一高角度的隐伏深断裂伸抵上地幔顶部.陡角度的隐伏深部断裂和浅部逆冲走滑断层之间存在一个并未连通的纵向闭锁空间[12~16].双程走时为4.5s的反射界面在地壳中呈稳定水平延伸并向东抬升,却被隐伏的塔头深断裂所截.通过唐山地震区地震快剪切波偏振图像反映出震源区介质的强烈各向异性[17].

(3)地震成因分析.唐山强烈地震发生时,地面垂直形变和水平形变显著,唐山以西30km内为上升区,最大幅度约1.5 m,以东为下降区,最大幅度约1m,陡河断裂是一条向东南方向倾斜的正断层.由于地表开平向斜轴深部破碎带和伸抵Moho界面的断裂均分布在一个直立的方向上,故开平向斜轴相当于本区另一个近于垂直方向的地壳断裂带.显然,该地震的发生是由于区域水平应力作用和深部热物质沿深断裂通道上涌,且相互耦合而导致了唐山地震的孕育和发生.

2.1.4 新疆伽师强震群的深部结构特征与深层动力过程

1977年1月21日至4月16日期间,在新疆地区直径仅20~30km的范围内连续发生了7次6级以上强烈地震,即呈强震震群.

(1)伽师强震震群发生和发展的构造背景新疆伽师及其临近地带在历史上自1900年以来曾发生过三次8级大地震,1902年在伽师还发生过一次8.75级大地震,因此有理由推断这一地震带乃是我国大陆未来有可能发生8级左右大地震的重要危险地区之一.

该强震震群发生在帕米尔高原东北侧的塔里木盆地北缘,北邻天山弧形推覆构造带.帕米尔高原是东亚板内动力作用与深层过程极为强烈的地域,而天山又是世界上典型的陆间碰撞型造山地带.为此,伽师强震区恰处于天山陆间碰撞造山带,并为与板内动力作用最强烈的帕米尔构造弧和塔里木陆核三大构造单元的交汇地域,且被一系列不同方向、不同运动方式和力系作用的块体所围.有史以来,大多数强震均发生在这一活动块体的边界处,与该区强震的发生和发展有着成因上的内在联系.

(2)伽师强烈地震区地壳与上地幔的速度结构

①伽师烈地震震群区的深、浅部构造均十分复杂,在横向上亦极不均匀,上地壳10km以内的沉积建造向深处下凹,而壳、幔边界则明显向上突起.伽师强震群位于上地幔顶部隆起(Moho界面深度变化为4~12km)处和两条陡立断裂所辖区域之内(即昆仑山北缘断裂和柯坪断裂),而且呈不对称状.在两断裂辖区内存在一低速体,其层速度为6.4km/s,下地壳低速体的速度为6.7km/s[17~19].

②三维地震反演求得的Q结构.在上地壳深12km附近存在一条NNE向和一条NNW向的低速带,且恰与强震分布地域相近.在12~18km深度范围内存在一NW向低Q值分布带,它与上述两条低速带相近,但范围更大一些[21].同时发现该震群下方自12km深处呈现出高波速比值(Vp/Vs)区,故震源介质的抗剪切强度减小.

(3)伽师强震震群地区接收函数与地壳和上地幔的S波三维速度结构[20].在震源区Moho界面不仅上隆,而且呈复杂扭曲状变化,而强震群恰分布在这一壳、幔界面强烈变化的梯度带上.依据S波分裂的偏振分析可见,塔里木盆地北缘向北运动较快的突出部位恰与近NS方向的快波偏振方向一致[22],而向北运动相对较慢的凹陷部位与EW向的快波偏振方向一致.基于快波偏振方向与主压应力方向的一致性和区内快波优势偏振方向的分布特征,故显示出块体在其北缘的伽师强震群附近有右旋运动的迹象,且横向非均匀变形与该区的震源机制解结果亦相一致.

(4)成因探讨伽师强震群发生在壳、幔边界强烈变异的梯度带上方,基于伽师强震群区的地壳结构不论在纵向与横向都是极不均匀的、各向异性的,地壳内部的介质与结构又显著变形,地壳结构不均匀,且震源区附近存在着隐伏断裂.Moho界面边界的上隆可能是由于帕米尔高原的强烈推覆和天山的逆冲运动耦合所致.这不仅使得地壳深处形成断裂,而且深部物质以其为通道上涌.在成因上与深部物质及能量的强烈交换和在深部力系作用下壳、幔界带显著上隆与强烈扭曲、震源区附近隐伏断裂活动和深部热物质的上涌密切相关.显然它的区域构造格局和塔里木盆地北缘非均匀变形及现代构造运动密切相关.

2.1.5 台湾集集地震的深部结构特征与深层动力过程

这一地带地质构造复杂,属菲律宾板块、吕宋岛弧向西北方向与欧亚大陆板块斜向碰撞与俯冲.

(1)地质构造背景

台湾岛位于亚洲大陆东南,北连东海,西为台湾海峡,西南接南海,南为吕宋海峡,东临花东海海盆及西菲律宾海.台湾西南部及东北部海域分别存在着两个方向相反的马尼拉海沟与琉球海沟隐沿带.欧亚大陆以新生代中期新生拉张形成的南海海洋地壳为前导,沿马尼拉海沟向东隐伏于菲律宾海洋板块之下.反之,菲律宾海洋地壳则沿琉球海沟向北隐伏于扩张的欧亚大陆(包括琉球群岛、冲绳海槽及东海)之下.这两个隐伏构造带主要控制着台湾岛和邻近海域的大地构造,且位于亚洲被动大陆边缘,水深不到200m,代表着一个较为稳定的地质构造背景.南海为新生代中期(32~17百万年(Ma))从欧亚大陆扩张出来的新生海洋.西菲律宾海为始新世拉张的弧后盆地,原海洋地壳[23].台湾与吕宋岛之间的吕宋海峡为由洋-洋板块隐没,过渡到吕宋火山岛弧与欧亚大陆碰撞地带,即为现代南北向的海底造山[24].在台湾岛的东北部宜兰外海的冲绳海槽,为菲律宾海板块向北隐伏于欧亚大陆下面的弧后拉张盆地,而该张性盆地向西南方向延伸到台湾岛东北角的宜兰平原[23].台湾岛南北长385km,东西宽140km,为近代的活动造山带,其演化过程自南向北发展,并可概括为:拉张-隐伏-碰撞造山-岛弧下沉四个阶段.显示出岛域的板块活动和构造活动的特征[25].从整体上看,台湾岛的地震活动强烈,且主要集中在中央山脉以东与临近海域,属环太平洋的震带.为此强烈地震频繁,而集集7.3级强烈地震的“孕育”、发生和发展确与车笼浦逆冲大断裂密切相关[23].由于该断裂带的再次活动,且较深,故在震中地带,即南段集集附近造成了长达100km的破裂带,向东倾约40°.

(2)地壳结构特征

集集地震后在台湾岛区曾进行了人工源地震反射,天然地震层析成像,重力场和电性结构的观测和研究.地震观测结果表明,中央山脉下面存在一地壳低速层,东北部的兰阳平原向西南延伸,穿过中央山脉地带抵西南部的台南、高雄一带.随着深度的增大,西南部的低速层逐向东移至恒春半岛.该低速层深度为20~30km,地壳厚度为40km,中央山脉与花莲地带Moho界面东倾,起伏变化亦大(40~45km).基于车笼埔断裂带以东仍为逆冲,故控制了1999年9月21日的集集地震的活动和发生[26~28].同时还应当看到,车笼埔断裂地带重力异常在台湾岛中部尚未达均衡,这里亦为电阻率异常变化地带.

(3)成因分析

集集地震的发生受控于车笼埔断裂带的活动和逆冲作用,同时在历史上这里亦为地震强烈活动地带,特别是车笼埔断裂在丰原以北由原来的NS走向转变为近EW走向,这样剧裂的转变导致了集集强烈地震在这里产生了最大的破裂量.同时应当注意到在该断裂带的南北两端,即其垂直于该断裂带的南端梅山断裂上曾于1906年发生过7.1级强震,在其北端的新竹-台中地带的断裂上曾于1935年发生过7.1级强震.此外在集集的地震发生前和发生后震中区垂直于车笼埔断层面的P波速度低,而Vp/Vs高[29].再加上重力的不均衡和电阻率的异常的变化等充分说明,震源区介质与结构的破碎和应力场的变化,即这次地震的发生是与震源区深部介质和构造环境密切相关.但由于集集地震前后没有进行地壳与上地幔精细结构长剖面的深部探测,故尚难从深层过程和动力学响应来讨论集的地震的发生和发展.

2.1.6 四川汶川-映秀8.0级地震发生的深部介质和构造环境与成因

(1)地震发生和发展的构造背景

汶川-映秀MS8.0大地震发生在龙门山断裂系所辖区间,其西北部为松潘-甘孜地带地震异常活动,1973年叠溪7.5级强烈地震就发生在岷江断裂带上,其东南部为相对稳定的四川盆地,而龙门山断裂系恰位于构造、地震均十分活动和相对稳定的二者之间,地形高差达3500±500m.这次地震最大余震强度为6.4,大、小余震达6万余次,破裂长度达300km,宽60~100km,且沿龙门山断裂系呈北东方向延伸.强烈地震发生后,造成了山崩地裂和极为严重的次生灾害,如广泛的滑坡和堰塞湖等.极震区烈度达Ⅺ度.

(2)深部壳、幔结构特征

震中区西北部松潘-甘孜地带,在历史上地震十分活动,且为壳、幔结构强烈变异的地带[5].松潘-甘孜地域地壳厚度为65±5km,四川盆地为40±5km,而龙门山断裂系则为50±5km,即龙门山断裂系与其两侧相比地壳厚度差可达15~20km的突变地带.基于人工源地震深部探测和大地电磁测深反演求得的速度和电性结构表明,青藏高原与其东北缘上、中地壳中存在着低速层和低阻层,且上地幔软流层埋深为100±10km[30~35].显见,地壳与地幔低速层和低阻层的存在为这一地域下地壳与上地幔盖层物质的同步流展提供了深部介质和构造的动力边界条件.

(3)成因探讨

汶川-映秀8.0级大地震的孕育、发生和发展有其极为独特的深部介质和构造环境与深层动力过程.由于印度洋中脊扩张,迫使印度洋板块向北运动,导致了印度洋板块与欧亚板块这两陆-陆板块的相互碰撞,而东构造结呈一楔形插入青藏高原的东北缘,驱动着青藏高原东北部的深部壳、幔物质向东运移,但在四川盆地刚性壳、幔物质阻隔下,在它们之间的龙门山断裂系地带应力高度集中[5].龙门山断裂系中的3~4条断裂带以不同倾角向西北倾斜,并在地壳深处,即15±5km深处汇聚.青藏高原东北缘的壳、幔物质在四川盆地刚性物质阻隔下,即下地壳与上地幔盖层物质不能东进,故除部分物质转而向东南流展外,其他与龙门山断裂系高强度挤压,同时由挤压出来的水份亦蕴存在龙门山断裂系的断层面上.由于巴颜喀拉块体、龙门山造山带和四川盆地壳、幔物质的不同属性,地壳中部低速层(低阻层)和上地幔软流层的效应以及龙门山断裂系的陡立,在此背景下巴颜喀拉块体物质坚硬以及断层面上水分的存在,导致了软弱的松潘-甘孜块体的地壳与上地幔物质向东南减薄,并在与上地壳解耦的作用下沿相对坚硬的龙门山断裂的断裂面向上运动(逆冲).这是由于在震源深处、即15±5km处由上而下和由下而上的壳、幔物质相向运移并强烈碰撞,故造成了这次8.0级大地震的发生[5].

此外,在世界各地的强烈地震区,如在美国圣安德列斯断裂带的强震区,加拿大温哥华半岛的地震活动区,阿塞拜疆地震活动区,法国比利牛斯地震活动区等地强烈地震的孕育、发生和发展,其深部壳、幔结构和深层过程均存在明显的变异,相比之下确起到了相互映证与逼近的认识.这就是说,强烈地震地区深部地壳与上地幔精细结构的刻划,对研究和探索强烈地震孕育、发生和发展的深部介质和构造环境及其深层动力过程乃是防震减灾和地震预测研究中一个十分重要的核心研究领域[5, 35, 36].

在这一节里我们例举了发生在我国陆内和邻近海域的6次强烈地震孕育、发生和发展的深部构造背景,讨论了其深层过程及其动力学响应.然而应当看到,不论是大地构造背景、壳、幔结构和介质与构造属性均有着很大差异,而震中区特异的介质属性与结构的局部变异和低速层的存在却是十分一致的.当然它们在控制要素和成因机制上亦不会完全相同.这表明,深化认识强烈地震孕育、发生和发展的深部介质和构造环境与其深层动力过程,并从其异、同中厘定出规律性的认识和约束的初始与边界条件,并逐步建立起强烈地震孕育、发生和发展的运动学和动力学模型乃是向地震预测逼近的关键所在.

2.2 地震孕育、发生和发展的深部结构和深层动力过程研究与几点初步认识

地震在地球内部壳、幔深处发生,研究其孕育、发生和发展的深部介质和构造环境、深层动力过程与地球内部物质与能量的交换及其动力学响应乃是当代地球科学的前沿,而又是难题之一.基于上述对邢台7.2级地震区、海城7.3级地震区、唐山7.8级地震区、新疆伽师大于6级强地震群、台湾集集的7.3级地震和汶川8.0级大地震区以及其他国内外有关震例的分析和综合研究[34~37],可以提出以下几点初步的或略具规律性的认识:

(1)地震活动或大地震发生地区的深部构造背景表征着异常的地球物理边界场效应、壳、幔结构和物质属性的局部强烈变异.在强烈地震活动地区(带)上地幔顶部(Moho界带)隆起,并呈现出对称状或不对称状的空间展布,有时Moho界面不清晰或难以分辨.究其原因,主要取决于深部物质向上运移或逆冲、力系的作用方向与规模以及区域大地构造背景.上地幔顶部的上隆可以较好地呈现出强烈地震的孕震介质属性和物质运动的深层过程.

(2)地壳物质组成存在明显的横向变化或局部增厚(物质膨胀).大地震区的地壳深部往往存在着陡倾角的隐伏断裂,并使得断裂所经壳层介质中各界面遭到破坏,形成一条一定宽度的通道.在该陡角度隐伏断裂的浅部则往往存在着引张断裂,或震源区断裂有局部水平错动,而大地震则往往发生在深部隐伏断裂顶部、局部断裂错动和深、浅断裂不相连结的“空域”,即应力集中所指向的范围内.

(3)地壳内部呈现出明显的低速层、高导层(或局部低速与高导体).地震多发生在沿低速层(体)滑脱面的端部与深部大型隐伏断裂上部被阻隔的耦合部位.在区域应力场作用下,在临近低速、高导层之上的脆性地壳介质易于破裂,故可构成地震孕育层位,此乃受力作用后的一个滑脱面,其端点又被深处隐伏断裂所阻隔,易于构成应力局部集中.最近中国地震局地球物理勘探中心在北京地区做的两条高质量地震反射剖面均清晰揭示出震中区深部近垂直隐伏大断裂的存在和深部的介质与构造环境[38, 39].

(4)地震活动区的深部物质热状态、热动力条件以及流体的存在均会导致低Q值(高α值)、S波分裂和各向异性、以及地球物理边界场的高梯度变异.深部热物质沿断裂通道或破碎带上涌、即岩浆运移和震中区介质破碎,并导致地震波能量的强烈吸收(波能量衰减)、绕射波的出现和复杂的波场响应.

(5)裂谷带地区具有复杂的地壳、地幔结构和深层动力过程.上地幔顶部上隆,地幔低速层埋深浅,大地热流值高,地球物理场局部变化强烈,并存在有活化的断裂构造,故导致深部热物质运移,并沿断裂通道上涌.这一特征在渤海湾7.2级地震区尤为清晰[40].这便表明,由于热物质上涌,多元耦合效应的产生与叠加,定会导致壳、幔介质的底侵作用和地震的发生.

(6)震源区与相邻块体边界的非均匀形变、地壳缩短增厚、隐伏断裂活动及由其导致的水平方向、垂直方向力系的共同作用与差异作用及岩石圈底部地幔流向上发散等,则会促使震源区介质与构造的“活化”度增强.这对地震的发生和发展有着不可忽视的作用.

(7)基于地壳低速层的流变学特征,在受力产生伸展运动时可以形成水平拆离带和韧性剪切带,故各向异性介质中的流体作用能软化介质,当必增强块体之间的解耦效应,这对层间运动和耦合与孕震效应是十分重要的.

(8)强烈地震孕育与发生地区重、磁、电、热场及地震波场响应的集成,即必须将浅表过程与深层过程和动力学响应有机的结合起来进行综合分析,从诸多要素中组构特异标志的集合体,以资判别强烈地震活动地域深部介质的物理属性和其结构的空间展布.

(9)在强烈地震,特别是一次大地震的孕育、发生和发展过程中由于破裂响应和物质运移,将会逐渐地改变着震源深处及其周边地带的介质属性和结构变异,如地震波速度(VpVs),Q值,波速比Vp/Vs、泊松比σ和不均匀性及各向异性的变异等.因此在地震反演中必须坚定地应用三分量观测,特别是分辨震源及周边地带物理参数和性质的局部变化.

基于上述显见,一个强烈地震的孕育、发生和发展必须具有一个特异的深部介质和构造环境及其在力源作用下物质的重新分异、调整和运移的深层动力过程.为此在地震异常的活动地带,特别是近期较强地震频发地域,先期进行该区(带)的精细壳、幔结构和构造变异导致的深部介质和构造环境探测则是十分重要的.因为它可以指示出在该区可能发生强烈地震的深部介质和构造环境,并接合重、磁、电及热场变异特征,在集成效应的研究基点上给出未来地震可能发生的地带或地域.

3 地震活动地域的深井破裂效应

地震依其发生地点的深度而论可分为浅源地震、中源地震和深源地震.一般来说,造成地表破坏性最大的要属浅源的强烈地震.但由于震源区介质与结构是不均匀的,而且是各向异性的,故在力源作用下其物质的重新分异、调整和运移的轨迹亦是不均匀的和各向异性的[6, 7, 35].因此,以高精度的观测、采集高分辨率的信息,且精细刻画出地震孕育、发生和发展的深部介质和结构的环境,这对地震发生的地点的预测是十分重要的.这就是上一节我们所讨论的核心,但是地震的发生还必须给出时间.对地震预测来说,关键是短、临地震预测,而短临地震预测则必须给出强烈地震发生的时间范围.因此,就必须越过地平线,避开浅表层的多元干扰,到地球深处去“抚摸”震源区介质在力源作用下的破裂响应[34].

3.1 地震 3.1.1 地震破裂遵循着多普勒效应

多普勒效应是指波源和观察者具有相对位移时,观察者接收到的波场频率会发生变化,但二者相互远离时,频率降低,反之则升高.为此在自然科学领域里应用很广,而震源介质的破裂亦遵循着这一效应.在地震源区介质发生破裂,且其破裂面将会不间断地向四周介质以地震波动为载体辐射时,位于破裂传播方向的台站所接收到的波形被压缩,使得频率升高、振幅加强,在其相反方向则波形被拉张并造成频率降低、振幅减小[41, 42].显然破裂是地震孕育、发生与发展的本能效应,而它是具有方向性的,其方向性却导致了显著的地震破裂的多普勒效应,且又必然地要受到破裂介质、结构和破裂速度的制约.显然在断层面走向方向上的地震记录其分辨率要高[43].

3.1.2 地震破裂的时序与方法关切

关于地震破裂的理论和方法研究,国内外地震学界是十分重视的,并在不断地发展和改进.由于各种方法在提取初始模型时对初始条件和边界条件的约束有差异,故其所得结果会有一定差异,如所给定的破裂长度不一,断层面倾角不一,破裂方式不一(是单侧破裂、还是双侧破裂),所利用的地震波场资料不一,以及对介质和结构属性了解不一等等.但是在反演中如何剔噪并取得有效的场源信息和应用乃是第一位的[44~46].

在反演中涉及的算法较多,如线性算法和非线性算法等.为此,尽管各人均利用同一份地震波场数据,由于约束条件不同,而其所得破裂响应、乃致图像均会有一定差异.

3.1.3 震源介质破裂过程与初始模型关切

由震源区介质开始破裂到强烈地震的发生,并一直到破裂结束,是一个地震发生和发展的整体轨迹.由于介质破裂是以质点振动的波动方式把能量向四周辐射,而且其所经过的介质与结构又是十分复杂的,即为非均匀性、各向异性和非线性的.它们不仅制约着破裂传递时序和速度,而且还会对破裂过程造成极大的影响.

当然在研究震源破裂过程中必须提取初始模型和进行必要的假定,以得到地震发生和发展的破裂过程和方向[47].另外,在给定一破裂范围的前提下,采用单侧破裂或是双侧破裂反演计算其效应也是存在一定差异的[48, 49].若设定的破裂长度不够大,则亦会限制破裂过程沿断层不同方向的延伸,且对破裂外侧难以取得一些必要的信息,有时会影响对未来余震的认识或可能预测.只有当设定的破裂长度适宜时,不仅可以得到主破裂地域的破裂响应,还可得到其外侧的信息,这对余震的发展趋势分析或预测是有重要意义的.例如,若首先设定为单向破裂,则会限制与其相反方向的破裂效应,亦会对余震发展和估计带来损失.

以上我们基于地震震源介质破裂的多普勒效应,简单地讨论了中外一系列地震学家在研究破裂时序和破裂过程中的理论与方法概况.可以确切地说,由于方法本身的不同,设定条件、形式与范围的不同,其反演的精度和稳定性也会不完全一致,有时给出的破裂图像差异还会比较显著.这便表明,这一系列算法和模型对初始模型有很强的依赖性,且解不惟一,故尚有待改进和新方法的提出,特别是多要素约束下的初始模型的提取.因为地震孕育、发生和发展的地域,均为深部物质与能量的强烈交换地带,且深部断裂发育,并有着极为复杂的深层动力过程[50, 51].现今的问题是,能否通过一个强烈地震,或是一个大地震震源区介质受力开始产生破裂时起,便能通过这一些初始的、可记录到的信息和其震源区深部的介质和构造环境及地震活动势态,并在多要素约束下进行破裂效应计算,以预测未来可能发生强烈地震强度及概率.当然,要得到逼近于实际的震源破裂范围、强度、速度、方向乃致未来地震发生强度的概率,当今的确还是一个较难的课题.

3.2 地震震源区与邻近地域介质微破裂和破裂链的形成及预测

由初步获得的强烈地震孕育、发生与发展的深层过程的一些认识可见[4, 5],它们最先均是在震源区形成微小破裂(称其为微破裂),而后逐渐向外扩展,在应力不断积累进程中逐渐形成破裂链.待该破裂链形成后、通过辐射向上发散传至地表,并形成地下与地表连通的破裂体系,进而导致强烈地震发生.地震破裂是以地震波动方式传递能量,并向四周辐射,由于震源与由震源到达地表的介质和结构存在着速度的不均匀性和各向异性[52, 53],亦会制约着地震波能量、破裂速度和破裂方向的差异.

为了能在大型破裂链形成之前,即大地震发生之前观测到微破裂,尝试进行井下高精度观测可能是一个重要途径.美国在加州圣安德烈斯大断裂附近进行着深井破裂效应的观测,日本在东京附近亦在进行着深井破裂效应的观测,以资检测地震的孕育、发生和发展的过程.通过对浅井与深井井下观测记录到的小地震(微破裂)波形对比表明,深井观测可以有效地排除各种地面噪声干扰,从而大大提高对微破裂及其他微弱地球物理信息(包括应变、热场和位场)的观测精度[54, 55].

基于岩石介质内部微裂隙的张开或闭合会导致地震波的传播速度发生微小变化.我们则可通过深井钻探进行井下观测以使在一些小地震发生前数月、数日、数小时前便能探测到岩石内部发生的微小变化.这在美国圣安德列斯断层带地震实验场的深井观测中曾取得了一定的效应,其中一次里氏3级地震发生前10h,还有一次是里氏1级地震发生前约两小时[56]便在井下观测到介质的破裂的响应.这是地震前兆研究方面取得的最新进展.

值得重视的地震破裂事件:

(1)一次记忆中的地震破裂事件

在20世纪70年代中期,在四川威远油气田进行石油地球物理勘探的地球物理参数测井工作时,发现井下扰动强烈,以致地球物理参数测井无法进行.于是油田设法将油田区及附近地带的各类机械振动和有关电干扰源等均暂停,但还是不能进行正常测井工作.一两天时间过去后,经核查发现成都地震台记录到了一个附近地方的小地震,然后再去进行测井时则已平稳.这一现象表明,人们有可能在井下早期发现和检测到震源区介质的微破裂和破裂过程.

(2)汶川MS8.0强烈地震前的一个异常事件---微破裂响应

2008年6月27日曾与中石油勘探开发研究院李德生院士通过一次电话,李院士说:汶川MS8.0强烈地震发生前,西南石油公司川青勘探公司为了油、气勘查在四川盆地西北部布署了2600km2左右的三维地震勘探,并将上万个地震检波器埋在地表以下土中接收地震波场信息.2008年5月9日和10日在进行实地勘探和激发地震波场之前,必须调试仪器,即须将数字地震检波器调零归位,可是发现检波器零点均向西漂移,且怎么样也调不到零位.在现场施工的工程技术人员从未见过这种现象,不知所措.两天以后,在四川汶川-映秀发生了MS8.0级强烈地震.

以上两次在油气地震勘探中,且均为在井下地球物理测井和地表激发波场接收前高灵敏度数字检波器调试过程中发生的微小振动事件给人们的启示[34].显见在防震减灾和地震预测工作中加强进行井下破裂效应和破裂过程的监测及有关物理量的观测和探索必须给予极大的重视.以资在强烈地震发生前能先期获得未来将可能发生强烈地震的信息.

(3)1975年2月4日海城7.3级强震的破裂效应

这次地震之所以能够预报成功,成为世界第一例,并为世界地震学界所公认,其最为重要的判据应是大地震发生前在震源区周围的地震台站都记录到了一系列的小地震[57].在距震中20km的营口市石硼峪地震台自2月1日起连续记录到前震达527次,其中MS≥1.5级的35次,最大震级为MS4.7,88%的地震发生在2月3日18时到2月4日13时内,且震级不断加大.同时地震发生的频度连续上升,2月4日7时频度达到最大值,一小时内竟发生小地震63次,但在该峰值之后,频度迅速下降,震前6h开始进入相对平静阶段,这标志着强烈地震将会发生.显见,这些小地震的发生是由于震源区和其周边地域在力源作用下介质的微破裂和破裂链形成的波动效应所致,故成功地预测了这次强烈地震.

尽管这次地震也发现了一系列的前兆,如地面变形、动物异常等,但它们与海城大地震的发生是否是正相关,即尚不能从机理上充分说明其与海城大地震的发生与发展有着内在的成因联系.但这却是应给予足够的重视和对这些征兆现象从机理上进行研究,以求得规律性的认识、并纳入对强烈地震的综合预测乃是十分重要的.

3.3 地震震源区的破裂效应 3.3.1 微破裂与破裂链(或破裂体)的形成

强烈地震的孕育、发生和发展,必须有一个适宜的深部介质和构造环境,只有在这一特异的环境下、并在力源作用下应力不断积累才能使得深部物质重新分异、调整和运动[51~54].因此震源区的介质在受力作用后便会产生物质与能量的强烈交换,促使介质开始破裂(微破裂),在微破裂发展过程中应力不断积累,并逐渐形成一条破裂链(或破裂体).当这种强烈的破裂效应不断聚集并辐射、扩散和冲击地表附近时,则强烈地震发生.

3.3.2 2008年5月12日14时28分汶川-映秀大地震的孕育和发生与破裂效应

汶川-映秀强烈地震是一个8.0级地震能量的释放,由于龙门山断裂系是一组结构复杂,且由多条断裂组成的断裂系,又处在青藏高原东北缘与四川盆地之间,且其深部壳、幔介质与结构是不均匀的,各向异性的和非线性的.因为汶川MS8.0地震,即由MS7.5,7.7,7.0,7.5,4个震级>7的强烈地震连续分段瞬时错动同步发生的,单侧的破裂长度在NE方向达300km,且呈不连续[58].这便表明:汶川-映秀MS8.0地震是由一个破裂链(或破裂体)组成,震源时间函数和破裂效应沿龙门山断裂系(地表至20km深度范围内)都是不均匀的,而且在横向是不连续的,其中以映秀、汶川和北川破裂强度最大.为此,可以由观测的破裂响应,以该震源区深部介质和结构为约束,进行正反演计算和数学-物理模拟,以资共同来探索短、临地震预测的可能途径和可利用的物理量.

3.4 近期在地震活动强烈地带布井进行深井破裂

效应观测探索强烈地震发生的短、临地震预测基于近年来对我国和周边地带板内地震强烈活动和强烈地震发生概率最大地带的研究,并考虑布署和实施深井破裂响应观测,以触摸震源区介质与结构物理属性变异的脉搏,捕捉地震孕育、发生和发展的深层介质的破裂响应和破裂过程.

3.4.1 深井微破裂观测与地震发生时间的短、临预测

基于上述分析和理念,建议进行深井破裂效应及其派生响应长期观测的实验研究,因为:

(1)在经过地球科学家们详细考察和论证的基点上,选择近期最为重要的、即发生强烈地震概率较大的地震活动地区打深井(即1000~2000 m)进行长期监测(几年,几十年,几百年,几千年……).由于这一深度距震源区还远,可是在深井中观测可以避免来自浅表层处的各类干扰,并在深井中以高灵敏度的探头进行高精度的有关物理量的测量;

(2)若井中探头具有相当高的灵敏度、且稳定性和抗干扰能力强,就有可能触摸早期震源区介质的脉搏,即试图观测并记录到微破裂和破裂链(破裂体)的发生和发展过程;

(3)在采集到深井真实破裂效应和观测与记录的信息基础上,进行数学和物理模拟检验;以研究、探索和反演震源区未来的破裂响应,介质与结构的物理-力学属性;研究和探索将会发生强烈地震时间的逼近理论和方法.

3.4.2 井下物理-力学效应观测与参量选择

由于强烈地震的孕育、发生和发展是以破裂效应为基础的,故必须选择适宜于破裂事件响应的物理量,以进行同步观测,并取得共同的逼近效应.

(1)介质微破裂和破裂链形成过程的观测(含波形、振幅和频率)是一个长期的效应,是造福于后人的举措.

(2)地震波(P波和S波)速度、波松比和Q值(或吸收系数α)及泊松比值在介质破裂过程中变化的时间谱和频率谱,是介质和结构属性(物理-力学)变异的重要参数.

(3)由破裂导致的应力和应变率的观测,通过应变增量的观测,是获取强烈地震前的重要信息.

(4)由破裂导致的井中化学元素的变化,如氡气等.

(5)配合与地震有因果关系的可靠前兆观测、收集与分析.

(6)各种物理量观测的变异集成、逼近和给出短、临地震的预测和要素及时间概率.

由破裂响应导致的震源区介质物理属性变化观测,主要有微震、应力与应变;温度和梯度;电阻率与电、磁辐射、重力场和磁化率的变化观测等,但应变率和破裂效应观测至关重要.在井下进行地震源区介质的破裂和由破裂导致的一系列物理参数的变化是当今人们能够在震前观测到它们的异常变化和与未来强烈地震发生有内在联系的要素.为此有可能对该区强烈地震发生的时间给出预测,当然就必须在地震活动地域进行长期的观测和数据的连续积累.

3.5 地震波场观测与强烈地震源区应力场异常变化及预测

强烈地震的孕育、发生和发展是震源区介质在力源作用下的破裂效应,而这种破裂过程则取决于应力场的变化和应力的积累.因为在地震孕育和发生过程中两种要素必须给予重视,一为大区域环境下区域构造应力场的总体响应;二是震源区及其周边地带应力和应变的变化及其破裂效应.1999年8月17日在土尔其的伊兹米特地区曾发生过一次强烈地震,震前曾计算了该区几十年内地震产生的库仑破裂应力变化,结果表明:该区一直处于库仑破裂应力增加较大的地带,并指出这里是未来地震危险性较高的地区[59, 60].这一结果引起了国际上地震学界的强烈反响,并促使对库仑破裂应力变化的重视[61, 62].基于地震波在壳、幔介质中的传播、能量的衰减、震源区及周边介质的物理-力学状态,及其强度模量的非线性变化均影响着或直接影响着应力场的变异,故可应用地震观测的波场记录中震相的振幅变化、速度变化,特别是其累积过程及强度来计算库仑破裂应力随时间的变化,当必会制约孕育体所处的应力环境和导致抗剪切强度的降低[63].这便表明,通过地震波传播的运动和动力学特征来提取震源区介质与结构的应力分布信息[64],可对震源机制做些探讨[65].这样便可以对强烈地震活动地区的地震进行监测,以探寻地壳内部震源及其周边介质与结构的应力积累和破裂效应,进而试图去进行强烈地震孕育、发生和发展的时间及强度预测.

4 中国与周边地域板内、板缘地震活动与界带的划分和历史强烈地震分析及对未来强烈地震的震级估算

中国与周边相邻地带被世界上两大地震带所围,即地中海-喜马拉雅-南亚地震带和环太平洋地震带.我国境内和周边地域发生的地震具有本土特点,即分布广、强度大、频度高、震源浅、灾情重、准变化周期长和类型繁多等特点(图 2).基于大地震的集结与分布在东亚形成了一个准三角形的地域.这个三角区依其各边又可分为东带、西带和喜马拉雅带.东带从安达曼群岛-缅甸、印度阿萨姆-中国中部的南北地震带-蒙古-贝加尔湖;西带从俾路支弧-兴都库什、帕米尔-天山-阿尔泰-蒙古-贝加尔湖,且与东带相交;在喜马拉雅带上曾生生过多次8级大地震(图 2中,110°E以西部分).8级大震除在西部地区发生外,我国东部沿汾渭-燕山地震带、郯庐地震带、东南沿海地震带也有分布[66].所以在板内与板缘的强烈地震主要发生在这一大三角地带的三个边上.地震带所辖的板内大三角地震带和郯庐地震带与大地构造格局密切相关,且有着内部物质与能量的强烈交换.确切地说,在历史上和现今发生在我国境内和周边地域的强烈地震均主要发生在上述构造界带处,即为地震频度高和强度最大的地域,且构成了制约中国陆内地震活动的主体空间;同时亦呈现出地震活动的分区和分带性.尽管如此,一系列强烈地震的孕育、发生和发展在地理位置上的分布是不均匀的,各向异性的和非线性的,至今尚难以给定其在时间域、频率域和强度域中的规律.为此必须进行区、带等级划分;即时序划分、频率划分和强度划分.

图 2 中国及周边地区地震分布图(中国地震局地壳应力所2009) Fig. 2 Distribution map of earthquake in China and peripheral regions (Institute of crustal dynamics China earthquake Administration, 2009)
4.1 强烈地震危险性区划与原则

我国境内和周边地域的地震分布,除绥芬河深源地震区(深达600km)和喜马拉雅弧形造山带的东、西弧顶部位(200~300km深)以及中麓(100km深度左右)深源地震和中源地震外,主要是浅源地震,即主要在20±10km深度范围内,但它们的破坏性却最强.

(1)基于我国政治、经济和文化的发展与其分布和水平的不均匀性进行区、带划分.例如:首都圈和东南沿海地带(包括台湾岛和海南岛)地带不论其强烈地震是否活动,则必须长期设防;大型工业基地和国防重要设施地区亦必须不间断的监测;人口密集和工业、商业与文化发达地区必须进行连续的地震监测和抗震设防.

(2)基于强烈地震频发地区的历史地震和现今地震的发展势态进行区、带划分.上述全球地震带和我国境内的大三角地带与郯庐断裂带(包括其向南和向北延伸)是指主体的地震活动界带,然而在板内:

①首都圈、东南沿海地带(包括台湾岛和郯庐深大断裂带)和华北克拉通断裂带;

②阴山-燕山造山带与山前地带;

③川、滇西部南北地震带(包括鲜水河断裂带、龙门山断裂带和安前河-则木河-小江断裂带;

④昆仑山和天山造山带及山前地带;

⑤青藏高原喜马拉雅地带;

⑥青藏高原东北部,特别是松潘-甘孜地区与鄂尔多斯盆地西北缘.

这便表明,板内各构造带界地域乃是强烈地震活动和应予以监测的地带。

4.2 历史强震与现今地震活动分析及其准周期性探索

我国是世界上地震活动最强烈的国家之一,这与中国地处欧亚板块的东南部,为印度洋板块、欧亚板块、太平洋板块、菲律宾板块所夹持,又与环太平洋地震带与地中海-南亚地震带之间的大环境内的地球动力学密切相关.所以8级或8级以上大地震主要在这些地带孕育、发生和活动.当然8级以下的地震,如震级大于或等于6级(M≥6)的地震分布就更为广泛.据对各省的地震数据统计,在我国境内除浙江、贵州两省以外,其他省都有6级以上地震记载,各省的活动水平不一.依据活动强度、频度而论,台湾居全国之首,其次是西藏、云南、四川、青海、新疆、甘肃、宁夏,再是河北、山西、山东、江苏、安徽、辽宁、内蒙古,以及福建、广东、海南和黑龙江、吉林.此外在边缘海域(渤海、黄海、南海)亦均有强烈地震发生,这当以渤海的频度和强度最高[67].

各省境内地震活动的强度和频度各异,深度也有差异,呈现出地震在空间上的非均匀性和各向异性及其非线性展布.显然,地震区、带的划分必然是这种空间上的非均匀性、各向异性和非线性的反映.从本世纪初到现在有多种区划方案,由于各自依据的原则不同,各方案间存在一定的差异,不过其间仍有共性,例如将中国划分为东、西两大部分,进而再划分为六或七块的划分法,且采用者较多.必须认识到的是:地震区、带划分是进行一切地震活动性分析的重要基础,是长、中期地震预测的依据.中国地震活动分析表明,西部5个地震区及台湾地震区强度大、频度高;华北地震区的强度大、频度较高;华南地震区处于中强水平(东南沿海地带除外),频度不高;属中强水平的地区的还有东北和海南.基于上述,就全国而言,在我国境内占有3/4的国土属地震活动强度大、频度高或较高的地域.为此要深化研究和认识:

(1)历史上与近10年来5~6级较强地震的发生与分布特征;

(2)6~7级强烈地震的发生与分布特征;

(3)7~8级与8级以上大地震的发生与分布特征;

(4)在这一系列强裂地震夹持下可能应力最为集中地带(或点)的判识.

要从统计的角度去分析和认识,这四个档次地震的活动时序、频度、强度和类型,以揭示其发生的准周期性和发生与发展的规律性.同时还要进行三个层次的地震孕育和发生的危险度划分,即Ⅰ级为近1~2年内最可能发生某档强烈震级的地震区、带(带、点);Ⅱ级为在近2~5年中或更长的一点的时间内,可能发生某档震级强烈地震区、带;Ⅲ级为在5~10年内或更长的一点的时间内不可能发生某挡震级的强烈地震的区、带.

4.3 综合分析与集成效应;以对地震活动区域未来强烈地震发生强度的预测

(1)在以上对地震孕育、发生和发展的深部介质和构造环境的研究和探讨中,应在震源区介质受力系作用产生微破裂和逐步形成破裂链的基点上进行综合分析,加权探讨以达集成.

(2)以深部壳、幔结构,深部和浅部地震活动水平与特征,区域动力学环境和地球物理场变异为要素,在逼近的边界条件下及在多要素约束下提取初始模型进行数值模拟.

(3)集成上述要素,并与历史地震和近期地震发生和活动的强度进行对比研究(包括地震活动规律和相关物理参数的变化),提出不同地区(带),不同震级、不同时序、不同频度、不同类型强烈地震可能发生的强度预测.

这里必须指出的是:未来强烈地震或大地震孕育、发生和发展的强度预测与其发生的介质与构造环境密切相关.这一点必须给予极大的重视.

5 几点认识和讨论

人们必须清晰地认识到,仅仅依据GPS观测的速率变化来进行短临地震预测的可能性不大.1995年1月17日日本阪神地震发生前,尽管日本有着十分密集的GPS观测网站,但却未观测到震前可供强烈地震短、临预测变形明显的异常变化.美国圣安德列斯断裂带上的帕尔姆地区,在1959~1974年间,水准测量表明,地面异常隆起最大量可达到35cm,然而至今却未发生强烈地震(据张国民,赵文泽,2009).日、美的两个实例形成了鲜明的对比,但说明GPS测量对短、临地震预测尚难以奏效.

强烈地震和大地震的孕育、发生和发展乃震源深处介质在力系作用下的破裂响应[60],是在深部特异的介质与结构环境下和地震构造共同作用的产物.为此地表的浅层过程与震源深处的介质与结构,即深层过程的物理耦合尚需进一步推敲.

5.1 地震预测是地震学家的天职

地震预测的确是一个世人所公认的难题,即目前对短临地震预测确实还差之甚远.但近些年来,以葛列尔(Geller.R.J)为首的一些科学家却提出,短临地震是不能预测的[68~73].当然人们不可能想象一朝一日便能够得到解决地震的物理预测问题.因为这在科学上尚为一探索性很强的难题,但是决不能知难而退或转向,而应该知难而进,找到困难的切入点.显然,我们必须在艰难的征程上刻苦奋进、去寻求切入点,并不断深化研究和探索,逐步地逼近于彼岸[73].

自19世纪70年代后期,即现代地震学创立以来的130余年里,防震减灾和地震预测一直是地震学、以致整个地球物理学研究的主要领域,许多地球物理学家莫不苦思于地震预测、预防和减轻地震灾害的途径[2, 37].特别是20世纪50年代中期以来,作为一个非常具有现实意义的科学问题,防震减灾和地震预测一直是世界各国政府和地球物理学界众多科技人员深切关注的焦点之一[73~80].

5.2 必须越过地平线,触摸震源区介质与结构的脉搏

地震孕育、发生和发展在理论上是由于震源区介质在力源作用下介质的破裂效应所致,在实际上又为众多强烈地震发生后的破裂效应,即地表实际破裂和设定初始模型下求取的震源机制解所证实(不论是地表,还是地下深处),故启迪人们,必须越过地平线去触摸震源深处介质与结构和其物理-力学属性变异的脉搏;精细刻划震源区与相邻地域深部介质与结构的环境及其深层动力过程.

5.3 深井破裂观测是捕捉震源区介质破裂效应的一个重要途径

在井中安放高灵敏度、高稳定性、抗干扰能力强的地震波动和有关物理量测量的探头,以捕捉来自震源区介质的微破裂和在应力不断集累下,介质中破裂链(或破裂体)或破裂响应形成的深层动力过程,以资探索地震短、临预测,即时间预测可能是一个十分有益的途径.

5.4 中国大陆与陆缘地域,即板内、板缘地震活动、界带的划分与未来强烈地震强度的估算

基于我国是一个地震发生和发展在强度上、频度上十分频繁的地域,因此通过对历史地震和现今地震的统计分析与区、带划分及其准周期性探索,并在多要素约束下提取初始模型进行数值模拟.为此在综合分析、集成效应的基点上可试图提出震级较强地震、强烈地震和大地震孕育和发生的强度.基于上述,通过一段时间的精细实验,定量或半定量的分析与探索,力求能在本世纪中叶,对强烈地震孕育、发生和发展的地点(在哪里将会发生地震)、时间(什么时间段内有可能发生不同强度的地震)、大小(将可能发生的强烈地震的震级档次,即强度)的预测上向前大大推进一步.

6 结语

人们必须清晰地认识到:

(1)强烈地震未来是可以预测的.强烈地震给人类带来了巨大灾难,并影响着社会与经济的发展.为此必须建立起这样的信念,即地震预测是一个科学难题,但却是有规律可循的,只要地震学家和广大科技工作者刻苦奋进,找出切入点,并不断积累和深化认识,那么强烈地震未来是能够预测的.

(2)强烈地震的孕育、发生和发展的时间、地点和强度是相辅相承的,它们之间在机制上有着必然的内在联系和制约,可以互补,可以互相促进及耦合,以达共同逐步地逼近于地震预测的彼岸!

(3)在这一艰难的征程上必须十分重视当代先进的高新科技的引入和有机地进行学科交叉[51, 67, 81],方可达综合、集成、并取得新的规律性的认识.

同时应当重视的是,在地震预测尚未完全攻克之际,必须加强地震科学的基础研究和实验及观测研究.它们是三位一体的向强烈地震物理预测的科学链条.为了最大限度地减少强烈地震造成的人员重大伤亡和巨额财产的损失,必须将地震预测与抗震二者相结合[1].以促进和保证社会与经济的有序发展!

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