2017, Vol. 32
2. 中国科学院大学, 北京 100049
3. 北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点试验室, 北京 100124
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3. Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
每当一次严重破坏性地震发生后，关于其能否被预测一直是备受争议的话题.某些学者(Geller，1991；Kagan，1994；Geller et al., 1997) 认为，地震不能被预测，其主要理由是：(1) 地球处于自组织临界状态，任何小地震都有可能级联式地发展成一个大地震；(2) 质疑存在可识别的地震前兆；(3) 未确立所谓前兆与地震之间的量化关系.尽管不少学者(Keilis-Borok，1990；Shaw et al., 1992；Wyss，1997；吴忠良，1998) 对此持反对意见，但囿于未掌握大地震孕育规律，仍不能采用科学方法对其进行预测.
根据美国国家地震信息中心(NEIC)数据，1900年以来至今，全球共发生M≥6.0地震11000多次、M≥7.0地震1300多次，显然无法预测所有这些地震.其中哪些地震能被预测？已成为亟需解决的科学问题.我们认为“地震能否被预测”是伪命题，而“什么类型的地震能被预测”才是科学命题，这取决于：(1) 能被预测的地震类型必须具有明确的物理意义；(2) 能采用科学的理论方法对其进行预测.
我们提出并发展了孕震断层多锁固段脆性破裂理论及相关预测方法(秦四清等, 2010b, 2016a, b, c ；李培等，2016；吴晓娲等，2016；Xue et al., 2017；杨百存等，2017a)，合理解答了困扰地震学家多年的诸多科学难题(如自组织临界性等)，明确了大地震的物理机制为锁固段脆性破裂，对全球62个地震区的震例分析表明(秦四清等, 2016a, b, c )，确实某些大地震能被预测.基于此，本文总结了能被预测的地震类型，以澄清关于地震预测的认识误区.
1 地震类型地震源自于断层运动导致的岩石破裂，而断层运动模式及相关地震活动性受断层面上一个或多个锁固段控制(秦四清等，2010b).锁固段(诸如断层中所谓的岩桥、障碍体和硬包体)可定义为断层面上具有较高强度，且在地震中释放较大地震矩的结构部位.
岩石力学实验表明(Brace et al., 1966；Martin and Chandler, 1994；Xue et al., 2014b)，岩样变形破坏过程可划分为如图 1所示的5个阶段，即裂纹闭合阶段(Ⅰ)、弹性变形阶段(Ⅱ)、稳定破裂阶段(Ⅲ)、非稳定破裂阶段(Ⅳ)和峰后破裂阶段(Ⅴ)，其中，稳定破裂阶段和非稳定破裂阶段的分界点为体积膨胀点，非稳定破裂阶段和峰后破裂阶段的分界点为峰值强度点.加载时，岩样破裂导致声发射(微破裂或微震)事件发生(图 2)，当加载至体积膨胀点时，由于微破裂丛集(图 2—图 3)，显著性微震或震群事件开始发生，这是岩样宏观破裂前唯一可识别的微震活动性前兆.若把单锁固段视为大尺度岩样，两者破裂过程类似，因此显著性地震或震群事件是锁固段宏观破裂前唯一可识别的地震活动性前兆.定义锁固段体积膨胀点和峰值强度点发生的地震为标志性地震，其间(非稳定破裂阶段)发生的地震统称为预震(图 2)，临近峰值强度点的预震为前震，峰值强度点后一定时间范围内的系列破裂事件为余震.对孕震断层多锁固段而言，当最后一个锁固段发生宏观破裂时，主震发生，其后与之相关的地震称之为余震.余震活动结束后，新一轮孕育周期将开始.进一步研究发现(秦四清等，2016b；杨百存等，2017a)，对于某些地震区，若锁固段被中小尺度断层围限，可形成次级锁固段.定义次级锁固段在体积膨胀点和峰值强度点发生的地震为标志性预震，其间发生的系列破裂事件为子预震，临近峰值强度点的子预震为子前震.
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图 1 岩样或锁固段(次级锁固段)变形破坏过程示意图 Figure 1 Schematic illustration of deformation and failure process of rock specimen or locked patch (secondary-order locked patch) |
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图 2 单轴压缩下花岗闪长岩声发射能量变化特征(据乔兰等(2014) 修改) Figure 2 Variation characteristics of AE energy for a granodiorite specimen subjected to uniaxial compression (modified after Qiao et al. (2014)) |
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图 3 三轴压缩下花岗岩声发射事件从均匀分布到丛集的演化(据Lockner等(1991) 修改) Figure 3 Evolution of acoustic emission events from uniform to cluster distribution for a granite specimen subjected to triaxial compression (modified after Lockner et al. (1991)) |
秦四清等(2010b；2016a，b，c )的研究表明，标志性地震的发生遵循确定性规律，即：
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(1) |
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(3) |
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(4) |
式中，Sc*和Sf*(1) 分别为误差未校正前第1锁固段体积膨胀点和峰值强度点对应的CBS值；Sc为误差校正后第1锁固段体积膨胀点对应的CBS值；Sf(k)为误差校正后第k个锁固段峰值强度点对应的CBS值；Δ为第1锁固段体积膨胀点之前的CBS误差值；MC和MF分别为锁固段在体积膨胀点和峰值强度点发生的标志性地震震级，MP为锁固段在此期间发生的预震或前震震级.显然，利用式(3)和(4)，可分别估计标志性地震的震级范围和预震的震级上限值.
由于年代越久远，地震目录的完整性和准确性越差.尽管某一地震区历史上可能发生了多次标志性地震，但数据分析时只能将误差修正后CBS值满足式(1) 的第1次显著性地震，视为第1锁固段在体积膨胀点发生的标志性地震.
式(1) 适用于描述在压剪作用下大尺度岩石(锁固段)蠕变或准蠕变破坏行为，对诸多崩滑(秦四清等，2010a；Xue et al., 2014a)与地震(秦四清等, 2016a, b, c )的实例分析表明，其具有广泛的适用性.杨百存等(2017a)进一步指出，常数1.48是一个描述不同尺度锁固段加速破裂行为的物理自相似常数，这不仅克服了测定深部岩石物理力学参数的困难，而且决定了式(1) 是表征锁固段累积损伤导致突变行为的普适性公式.
参考Beeler (2001) 关于应力、尺度与地震效率的关系研究，可合理假定特定地震区的地震效率为常量.特定地震区当前孕育周期某次标志性地震发生后，令EB表示其发生前该区积累的弹性应变能，EC表示其本身释放的弹性应变能，如果下述关系被满足，即:
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(5) |
我们能够判断其不是主震，因为根据能量守恒原理(秦四清等，2014a；吴晓娲等，2016)，应有：
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(6) |
式中，ET为主震前该地震区积累的弹性应变能，EM为主震本身释放的弹性应变能，EA为余震释放的弹性应变能.若式(5) 成立，则可预测下一次标志性地震.
式(1)—(6) 是孕震断层多锁固段脆性破裂理论的基本公式.显然，在特定地震区地震目录完整且准确的情况下，除第1锁固段在体积膨胀点发生的标志性地震不能被预测外，后续标志性地震都能利用式(1)—(6) 进行预测及检验.以下将以新源—阿拉木图、汶川、格尔木(秦四清等，2016b)和瓦尔迪维亚地震区(秦四清等，2016a)为例，说明预测标志性地震的方法.
新源—阿拉木图地震区为板内地震区，其地震构造图示于图 4.该区发生了3次标志性地震(秦四清等，2016b)，分别为1812年3月8日新疆尼勒克MS 8.0地震、阿拉木图 1889年7月11日MS 8.4地震和1911年1月3日MS 8.2地震.从图 5看出，误差修正后标志性地震的孕育规律均遵循式(1).这说明在地震目录完整且准确的情况下，除1812年尼勒克MS 8.0地震不能被预测外，后续标志性地震均能被预测.根据式(5) 判断该区主震尚未发生，预测该区未来还将发生MS 8.4~8.7(MW 8.3~8.6) 标志性地震，目前该区已十分接近临界状态.
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图 4 新源—阿拉木图地震区地震构造图 Figure 4 Seismotectonic map of the Xinyuan-Almaty seismic zone |
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图 5 新源—阿拉木图地震区公元前250—2017-08-30之间CBS值与时间关系 (数据分析时选取ML≥6.7地震；误差修正已被考虑) Figure 5 Temporal distribution of CBS in the period from B.C. 250 to 30 August 2017 for the Xinyuan-Almaty seismic zone (The ML≥6.7 earthquakes are selected for data analysis. The error correction is also considered) |
汶川地震区为板内地震区，其地震构造图示于图 6.该区发生了3次标志性地震(秦四清等，2016b)，分别为1327年9月四川天全MS 7.75地震、1937年1月7日青海玛多MS 7.8地震和2008年5月12日汶川MS 8.1地震.从图 7看出，误差修正后标志性地震的孕育规律均遵循式(1).这说明在地震目录完整且准确的情况下，除1327年天全MS 7.75地震不能被预测外，后续标志性地震均能被预测.根据式(5) 判断该区主震尚未发生，预测该区未来还将发生MS 8.0~8.3标志性地震，在其发生前将发生多次不超过MS 7.7的预震.2013年4月20日芦山MS 7.0地震和2017年8月8日九寨沟MS 7.0地震，均发生在汶川地震区，为该区第3锁固段在体积膨胀点和峰值强度点之间发生的显著预震.
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图 6 汶川地震区地震构造图 Figure 6 Seismotectonic map of the Wenchuan seismic zone |
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图 7 汶川地震区638-02-14—2017-08-21之间CBS值与时间关系 (数据分析时选取MS≥5.5地震；误差修正已被考虑) Figure 7 Temporal distribution of CBS in the period from 14 February 638 to 21 August 2017 for the Wenchuan seismic zone (The MS≥5.5 earthquakes are selected for data analysis. The error correction is also considered) |
格尔木地震区为板内地震区，其地震构造图示于图 8.该区发生了3次标志性地震(秦四清等，2016b)，分别为1902年11月4日青海都兰MS 6.9地震、1962年5月21日格尔木MS 6.8地震和1990年4月26日共和MS 7.0地震.从图 9看出，误差修正后标志性地震的孕育规律均遵循式(1).这说明在地震目录完整且准确的情况下，除1902年都兰MS 6.9地震不能被预测外，后续标志性地震均能被预测.根据式(5) 判断该区主震尚未发生，预测该区未来还将发生MS 7.5标志性地震，在其发生前还将发生不超过MS 6.8的预震.
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图 8 格尔木地震区地震构造图 Figure 8 Seismotectonic map of the Golmud seismic zone |
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图 9 格尔木地震区318-05-26—2017-08-21之间CBS值与时间关系 (数据分析时选取MS≥5.0地震；误差修正已被考虑) Figure 9 Temporal distribution of CBS in the period from 26 May 318 to 21 August 2017 for the Golmud seismic zone (The MS≥5.0 earthquakes are selected for data analysis. The error correction is also considered) |
瓦尔迪维亚地震区为板间地震区，其地震构造图示于图 10.该区发生了3次标志性地震(秦四清等，2016a)，分别为1716年2月6日秘鲁塔克纳什Muk 8.8/11日伊卡Muk 8.6双震、1906年1月31日厄瓜多尔西部近海Muk 8.9/1907年11月16日秘鲁乌奇萨MS 8.7双震与1960年5月22日智利瓦尔迪维亚MW 9.5地震.从图 11看出，误差修正后标志性地震的孕育规律均遵循式(1).这说明在地震目录完整且准确的情况下，除1716年秘鲁Muk 8.8/8.6双震不能被预测外，后续标志性地震均能被预测.根据式(5) 判断该区主震尚未发生，预测该区未来还将发生MW 9.5~10.0标志性地震，在其发生前将发生不超过MW 9.0的预震.
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图 10 瓦尔迪维亚地震区地震构造图 Figure 10 Seismotectonic map of the Valdivia seismic zone |
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图 11 瓦尔迪维亚地震区1471-08-29—2017-08-30之间CBS值与时间关系 (数据分析时选取ML≥6.0地震；误差修正已被考虑) Figure 11 Temporal distribution of CBS in the period from 29 August 1471 to 30 August 2017 for the Valdivia seismic zone (The ML≥6.0 earthquakes are selected for data analysis. The error correction is also considered) |
多锁固段破裂时，在相邻标志性地震之间会发生诸多预震，其震级受式(4) 约束.由于预震多为随机事件，目前尚无法对其进行预测.然而，近期我们的研究表明(秦四清等，2016b；杨百存等, 2017a, b )，对存在次级锁固段的地震区，锁固段和次级锁固段的破裂特征具有自相似性，次级锁固段破裂发生的标志性预震在“时间域”或“空间域”的演化规律同样遵循式(1)，且在统一震级标度情况下，震级约束关系满足：
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(7) |
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(8) |
式中，Mpc和Mpf分别为次级锁固段在体积膨胀点和峰值强度点发生的标志性预震震级，Mpp为相邻标志性预震之间的子预震震级.显然，利用式(7)和(8)，可分别估计标志性预震的震级范围和子预震的震级上限值.
2.2.1 “时间域”模式秦四清等(2016b)和杨百存等(2017a)的研究表明，对特定地震区某一孕育周期，在时间域上局部与整体地震序列遵循相同的演化规律，我们称之为“时间域”模式.具体做法是，截取预期未来标志性地震前某一时间段的地震序列，利用孕震断层多锁固段脆性破裂理论，可对某些标志性预震进行预测.仍以新源—阿拉木图、汶川和瓦尔迪维亚地震区为例，说明利用“时间域”模式预测标志性预震的方法.
新源—阿拉木图地震区自1950年12月15日后发生了3次标志性预震，分别为1958年12月21日新疆温泉MS 6.5地震、吉尔吉斯斯坦1978年3月24日MS 7.1地震和1992年8月19日MW 7.3地震.从图 12看出，误差修正后标志性预震的孕育规律同样遵循式(1).因需要利用前两次标志性预震确定误差Δ和最小有效性震级(秦四清等，2015b)，至少1992年吉尔吉斯斯坦MW 7.3地震能被预测.若该区存在第3次级锁固段，从图 12看出在2017年8月9日新疆精河县MW 6.3前震(NEIC)后，该区已处于临界状态，这与上述新源—阿拉木图地震区基于整体地震序列的分析结果基本一致.
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图 12 新源—阿拉木图地震区1950-12-15— 2017-08-21之间CBS值与时间关系 (数据分析时选取MW≥6.3地震；误差修正已被考虑) Figure 12 Temporal distribution of CBS in the period from 15 December 1950 to 21 August 2017 for the Xinyuan-Almaty seismic zone (The MW≥6.3 earthquakes are selected for data analysis. The error correction is also considered) |
汶川地震区自2008年5月12日后发生了3次标志性预震，分别为2008年5月25日广元MS 6.4地震、2013年4月20日芦山MS 7.0地震和2017年8月8日九寨沟MS 7.0地震.从图 13看出，标志性预震的孕育规律同样遵循式(1).类似地，至少2017年九寨沟MS 7.0地震能被预测.若该区存在第3次级锁固段，则下一次标志性预震也能被预测，预测结果如下：震级为MS 7.0~7.7，震中位置为北纬32.8°、东经101.8°，震源深度为5~20 km.
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图 13 汶川地震区2008-05-12(UTC 6:54)— 2017-08-21之间CBS值与时间关系 (数据分析时选取MS≥5.4地震) Figure 13 Temporal distribution of CBS in the period from 12 May 2008 (UTC 6:54) to 21 August 2017 for the Wenchuan seismic zone (The MS≥5.4 earthquakes are selected for data analysis) |
上述分析说明，2013年芦山地震和2017年九寨沟地震，均为汶川地震区下一次标志性地震(MS 8.0~8.3) 前的显著预震，这两次地震有直接联系且与汶川大地震有关.
瓦尔迪维亚地震区自1983年5月15日后发生了3次标志性预震，分别为1994年6月9日巴西里奥布朗库MW 8.2地震、2001年6月23日秘鲁阿雷基帕MW 8.4地震和2010年2月27日智利比奥比奥近海MW 8.8地震.从图 14看出，标志性预震的孕育规律同样遵循式(1).类似地，至少2010年比奥比奥近海MW 8.8地震能被预测.
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图 14 瓦尔迪维亚地震区1981-06-03— 2017-08-30之间CBS值与时间关系 (数据分析时选取ML≥4.0地震) Figure 14 Temporal distribution of CBS in the period from 3 June 1981 to 30 August 2017 for the Valdivia seismic zone (The ML≥4.0 earthquakes are selected for data analysis) |
李培(2016)和杨百存等(2017b)的研究表明，对特定地震区某一孕育周期，在空间域上局部与整体地震序列遵循相同的演化规律，我们称之为“空间域”模式.具体做法是，在特定地震区内以断层为约束条件划分小区作为研究区，利用孕震断层多锁固段脆性破裂理论，可对某些标志性预震进行预测.以格尔木地震区内乌兰—大柴旦和共和研究区(图 8) 为例，说明利用“空间域”模式预测标志性预震的方法.
乌兰—大柴旦研究区发生了3次标志性预震，分别为1962年5日21日青海北霍布逊湖MS 6.8地震、1977年1月2日茫崖MS 6.4/19日北霍布逊湖MS 6.3双震与海西2008年11月10日/2009年8月28日MS 6.6双震.从图 15看出，误差修正后标志性预震的孕育规律同样遵循式(1).这说明在地震目录完整且准确的情况下，除北霍布逊湖MS 6.8地震不能被预测外，后续标志性预震均能被预测.
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图 15 乌兰—大柴旦研究区1917-09-05— 2017-08-21之间CBS值与时间关系 (数据分析时选取ML≥5.0地震；误差修正已被考虑) Figure 15 Temporal distribution of CBS in the period from 5 September 1917 to 21 August 2017 for the Wulan-Dachaidan research zone (The ML≥5.0 earthquakes are selected for data analysis. The error correction is also considered) |
共和研究区发生了3次标志性预震，分别为1938年8日23日青海天峻MS 6.0地震、共和1990年4月26日MS 7.0地震和1994年1月3日MS 6.0地震.从图 16看出，误差修正后标志性预震的孕育规律同样遵循式(1).这说明在地震目录完整且准确的情况下，除天峻MS 6.0地震不能被预测外，后续标志性预震均能被预测.
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图 16 共和研究区318-05-26—2017-08-21之间CBS值与时间关系 (数据分析时选取MS≥4.5地震；误差修正已被考虑) Figure 16 Temporal distribution of CBS in the period from 26 May 318 to 21 August 2017 for the Gonghe research zone (The MS≥4.5 earthquakes are selected for data analysis. The error correction is also considered) |
由于次级锁固段的存在，使得某些标志性预震能被预测.我们之前编制的3.5版《中国及其周边地震区划分图》(秦四清等，2015a)涉及的地震区实则为研究区，对某些区标志性预震的前瞻性预测(秦四清和薛雷，2011；秦四清等, 2012, 2013, 2014a, b, c, d )，为此提供了可信证据.然而，预测下一次标志性预震时，需知道其对应的次级锁固段是否存在，若不存在则会得出错误结果.对此，目前尚无可靠方法，需开展进一步研究.
综上所述，特定地震区内某些标志性地震与标志性预震，因其发生的物理机制明确且有规律可循，故能被预测.这些可预测地震仅与锁固段破裂对应的地震事件类型有关，而与其地震震级无关.由此可见，地震能否被预测之争，本质上是对地震孕育机制与规律认识不清所致.
3 结论基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论，分析了能被预测的地震类型，指出某些标志性地震和标志性预震具有明确的物理意义，且其演化过程遵循确定性规律，因此能够被预测.
致谢 感谢国家自然科学基金资助项目(编号：41572311，41302233) 对研究工作的资金支持.| [] | Beeler N M. 2001. Stress drop with constant, scale independent seismic efficiency and overshoot[J]. Geophys Res Lett, 28(17): 3353–3356. DOI:10.1029/2001GL012906 |
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