实验证明,岩石破裂前必然发生“声发射”,这为地震的确定性前兆研究提供了线索。但是,地震前兆的“声发射”与实验室岩石破裂前的声发射有类似之处,也有不同之处。
钻孔应变仪记录到不少地震前异常变化,其中2008年汶川8.0级地震前约一年姑咱地震台YRY-4型钻孔应变仪记录的一系列“毛刺”异常较为典型。这些“毛刺”的时间分布和尺度分布特征与岩石破裂前的声发射相符,见图 1。图中:s13、s24和sa为3个替换应变观测量,括号中的数字表示慢事件总个数;A为慢事件应变变化幅度;NA为慢事件个数;MS 8.0表示汶川地震对应的发生时间。由此可见,在主破裂前,“毛刺”逐渐增多增大,然后衰减,且“毛刺”尺度呈负幂率分布。
但是,大多数“毛刺”发生时摆式地震仪并未记录到地震事件,说明“毛刺”是慢事件。实际上,此类“毛刺”事件通常长达数分钟或数十分钟,甚至更长。以往研究认为声发射只能与前震对应,这是需要纠正的一个错误观念。把地震前的“声发射”扩展到慢事件,这是对地震前异常变化认识的一个飞跃。钻孔应变仪是一种全频段观测仪器,可以观测慢事件,也可以观测“前震”,此为其一大优势。
岩石破裂前出现声发射的本质,是岩石试件中出现微破裂或微破裂扩展。岩石被破坏前,声发射会出现在主破裂附近一个相当大的范围内。大破裂(地震)发生前,微小破裂过程受大破裂附近相当大范围内复杂地质条件制约,在空间上具有离散性,而不是只发生在震源断层附近。对于慢事件,只有附近有微小破裂过程的观测点才会记录到这种异常,若没有则记录不到。四元件钻孔应变仪记录的地震前兆异常一般伴随“失洽”现象,此为“毛刺”现象反映观测点附近出现微小破裂的佐证。
岩石声发射的主要意义不仅在于其时间位于主破裂之前,还在于把微小应力载荷变化放大数十倍甚至更高,使之更容易被观测到,其原因是破裂端点的应力集中效应。钻孔应变仪可以观测到这种应力集中变化,此为其另一大优势。位移信号不存在此类放大现象。相应地,观测位移变化的仪器则观测不到该异常变化。GPS和伸缩仪等由于基线太长同样难以观测到这种应力集中变化。
岩石破裂前的声发射是变化多端的,随机性较大。在地震孕育过程中,震源周围地区的地质情况千差万别,可能出现的微小破裂过程各不相同,决定了这种地震前异常变化形态的复杂性。但是,声发射的时间分布特征具有普遍意义,可以用来进行地震预测。
地震预测的出路,就是大量建立观测点,特别是钻孔应变观测点,并且要把观测点建立在断裂端点和断裂交叉部位等构造比较复杂的地方。现在的观测点太少,远不能满足地震预测的需要。