1 研究背景

为了对地震三要素（时间、地点、震级）作出一定程度的预测预报，必须捕捉地震前兆异常现象和信息。从20世纪60年代开始，前苏联、美国、日本和中国先后进行了地震监测、预测/预报的探索和研究。长期实践表明：地震是有前兆的。

至今，对地震前兆异常监测、研究的项目有六大类：①地形变（GNSS、大地测量、地应力、地应变，断层蠕动，地倾斜，重力观测，地球自转，太阳黑子活动，海平面观测，天文因素与地震预测等）；②地震活动性（活跃—平静，空区、条带、震源机制，b值，库仑应力变化，准周期性，概率预报模型等）；③地电、地磁（地电阻率，地磁，电磁波，大气电场，极低频电磁异常信息等）；④地下流体（井水、泉水水位、水温、流量、水质，氡、氦、氢含量等断层气浓度变化）；⑤卫星遥感（电磁扰动、热红外异常、水汽异常等）；⑥宏观异常现象（地下水、动物习性异常，地声、地光、地气、植物、人感地动，天气异常等）。

预计今后地震前兆异常监测项目还会增加。

2 关于地震及其前兆成因、机制、特点

这是个老问题，也是一个新问题。地震界一直有不同的观点和认知，但总的趋势是：随着新的观测事实不断增加，人们的认识也在不断更新和深入。

现在大多数人还是认同：断层运动是地震及其前兆异常现象的主因。地震活动断裂，不仅是地壳应力、应变积累和释放的场所，也是地壳浅部和深部能量、物质，尤其是地下流体、断层气体运移、交换的通道。

在印度板块向北与欧亚板块相顶撞作用、太平洋板块和菲律宾板块向中国大陆方向俯冲作用的共同影响下，我国大陆西部及邻区，主要是受压缩的区域构造应力场、应变场作用；而东部华北地区除了受近EW向主压应力作用外，还受到SE方向的拉张作用。

地震断裂活动及其伴随的前兆异常现象特点主要是：

（1）根据岩石破裂实验结果和以往重要强震、大震震例的观测事实，可以推断：在强震、大震孕育的中长期阶段，由于应力、应变积累，受压缩变形，地壳岩层中原有的裂隙、裂纹闭合；断裂带上地下流体运移活动减少，深部与浅部物质、热能的交换减缓，甚至停滞；致使异常现象减少，表现出“平静”状态；但可以观测到下沉和压缩的地形变。

（2）当应力、应变积累继续增加后，在某些地区（有中长期异常的地区或断裂带），开始进入短期、临震阶段。岩石层的变形加剧，裂纹、裂隙大量增加，断裂带上的地下流体运移加速，促使深部和浅部物质、热能的快速交换。由于水是极为重要的应力腐蚀因素，会降低裂纹、裂隙尖端的强度，使裂纹、裂隙快速扩展，引起体积增加，产生非弹性体应变，出现“扩容”现象。

（3）这期间，可能观测到由下沉转隆升的地形变；不仅地下流体有异常，地电、地磁、地球化学元素等异常现象的种类、数量也大量增加；人感官觉察到的突发异常事件，即“宏观异常”，也会大量出现。而且，随时间可能会有起伏，异常相对集中区也可能出现转移变化。

因此，简单说，在地震孕育过程，从中长期阶段到短期、临震阶段，岩石层中裂隙、裂纹，是先“闭合”，后“张开”；而前兆异常现象，是先“平静”，后“活跃”。

地震发生的系统及其伴生的前兆异常，是复杂系统，复杂现象。既有确定性，又有随机性和模糊性。尤其是几条性质不同断裂交会地带，就更加复杂：构造形变剧烈，强震活动频繁，前兆异常灵敏，显著。与其他地震活动区相比，在空间上可能呈现出不一样的相邻关系，在时间上也有不同的相随历史。

过去，有相当数量的震例表明，震前观测到的不少异常变化，的确是地震前兆异常。因此，再出现相似异常现象时，往往会考虑为地震前兆。但是，不同类型，不同地区的地震前兆现象的表现，是有差别的，甚至是多种多样的。

有些时候，观测到某些地区出现了与过去震例相似异常时，但并没有地震发生；还有些时候，在不认为观测到的是地震前兆异常时，却发生了大地震。最重要的原因可能是我们缺少大震震例的经验和认知。地震断裂长度大致为：5级5 km，6级16 km，7级50 km，8级160 km（2008年汶川M_S 8.0大震破裂带长达250 km以上）。因此1次7级以上大震及其伴生的前兆异常，在时间进程上的起伏，震中区和外围地区，异常反应和表现特征，与常遇的中强以上地震（即5级、6级以上地震）异常特点，是不可类比的。

在大震孕育过程，进入短期阶段之后，出现的各种异常现象，可能主要还是断裂活动的表现，与大震是否发生，还没有确定的、必然的联系。

3 浅源地震前兆机制的3种物理模式

（1）根据断层带面上应力和强度不均匀性，分为3种模式：①障碍体模式，断层面上应力均匀，但强度分布不均匀预测的前兆异常现象；②凹凸体模式，断层面上强度均匀，但应力分布不均匀，预测的前兆异常现象；③实际上可能还有第3种，即应力和强度分布都不均匀，预测的前兆异常现象。

（2）断层面外，在包围断层岩体，所预测的前兆现象。

（3）在裂隙、裂纹中，以及附加在应力集中源区中，由于水等流体作用，引起断层的预位移、预滑、蠕动、震颤、慢地震、长周期前兆波、低频微动地震波等异常现象。

4 诊断前震

“唯一确定的地震前兆是偶尔会出现的前震。前震是在时间和空间上都接近于主震的事件。它们频繁的出现表明它们不是随机的，肯定与大震有某种方式的关联（就像主震之后的余震不是随机发生的一样）”。（注：摘自美国Shearer著作的《地震学引论》，P315，对海城地震预报、前震作用的评价）。

根据非线性动力学的观点：仅当一个系统以某种足够的随机方式动作时，过去和未来的差别，（因此还有不可逆性）才能进入到对它的描述中去。地震发生及其伴随的前兆，是复杂、开放的非线性系统，包含了不断起伏的子系统的状态信息。前震和前震序列就是与大震发生直接关联的子系统，表明系统处于临界状态。可以采用地震序列的时间间隔变异系数，来进行诊断。回溯分析，利用变异系数方法均能诊断出1975年2月4日海城M_S 7.3地震、1978年5月18日M_S 5.9地震、1999年11月29日岫岩M_S 5.6地震的前震。甚至，利用变异系数也能诊断出1976年唐山M_S 7.8地震前，从1970起，华北地区分区带，3级以上地震活动时间间隔变异系数存在异常。看来，此方法对分区判断大震危险性，也有一定的参考价值。

5 展望

现在，我国已经可以观测到慢地震、“微动源”信息（即微震检测）。今后，应进一步加强全球连续定位系统接收器，高性能应变仪和地震仪的研发。在主要断裂带扩大布点，较完整的监测断层活动状态；同时通过综合网络监测、深入研究慢地震的识别和定位，探索其机理；并结合多种前兆信息的综合研究，加强对可诊断的确定性前兆异常现象的研究，可促使地震预测预报朝“实用”、“可操作”方向迈进。