2016, Vol. 31
《Science》杂志在创刊125周年之际，把“是否存在有助于预报的地震先兆”列为125个最具挑战性的科学问题之一，由此可见探寻可靠地震前兆的重要性.地震前兆指地震发生前出现的异常现象，本质上是岩石介质受力作用的产物(Main and Meredith, 1989；严尊国和陈俊华，1999).大地震预测的科学探索思路是建立在地震有前兆，并可利用其预测未来地震发生时间、地点与强度的假定之上(张国民等，2001；Cicerone et al., 2009).为寻找可靠的地震前兆，诸多学者(Dieterich，1979；唐春安和徐小荷，1990；尹祥础等，1994；马瑾等，1996)基于岩石破裂实验研究，探寻应力(应变)等物理量与地震前兆信息之间的联系.图 1示出了岩样变形破坏过程中物理量响应特征，可看出当岩石损伤累积至体积膨胀点时，其物理和力学性质均发生显著变化(陈颙和黄庭芳，2001)，这说明岩石宏观破裂前有前兆(耿乃光等，1986；Rudajev et al., 2000)，相应的大地震发生前亦应有前兆.断层运动导致岩石破裂发生地震，所以探寻地震前兆应直接从岩石破裂过程入手.秦四清等(2016a，b，c)的研究表明，锁固段被加载至体积膨胀点时，震群事件开始发生，震群事件是监测技术手段可识别的唯一地震活动性前兆；体积膨胀点和峰值强度点对应的标志性地震事件时间间隔，一般为数十年或数百年，因此该地震活动性前兆可视为长期或超长期前兆.进一步的研究(李培等，2016)指出，前震事件可作为临近大地震发生的物理前兆.遗憾的是，前震发生后，即使某地震区已接近或到达临界状态，标志性地震事件并不会短期内发生，而是滞后数年乃至数十年，因此前震可视为标志性地震事件发生前的中长期或长期前兆，仍不是短临前兆.
那么，究竟有无可靠的大地震短临物理前兆呢？本文将从大地震孕育的物理机制角度出发(吴晓娲等，2016)，讨论前震事件与标志性地震事件之间已发现的可能地震前兆的可靠性.
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图 1 岩样变形破坏过程中监测物理量响应特征(据陈颙和黄庭芳(2001)修改) Figure 1 The response characteristics of monitored physical quantities in the deformation and failure process of rock specimen (modified after Chen and Huang (2001)) |
地震前兆复杂多样，根据感知方式不同，可分为微观前兆和宏观前兆两大类(吴中海和赵根模，2013).
1.1 微观前兆微观前兆指人的感官无法察觉、只有用专门仪器才能测量到的地震异常现象(张国民等，2001).孙强等(2014)类比岩石破坏的临界现象，将微观前兆分为两类：(1)与物理力学和结构特征变化有关的异常，包括地应力异常、地形变异常、地下水异常、波速异常和地电异常等；(2)与能量释放及物理场参数变化有关的异常，包括电磁辐射异常和水氡异常等.
1.1.1 与物理力学和结构特征变化有关的异常在岩石破裂过程中，随着内部损伤累积，其承载能力降低，变形速率增大，渗透率增大，波速参数与电阻率值出现突变现象.这些异常现象能否作为大地震的短临前兆呢？以下将结合典型震例，从物理机制角度进行分析.
目前关于地震地电异常的成因机制主要有两种观点，即压电效应机制和渗滤电场机制(刘心恒，1978；郝建国和张云福，2001).压电效应机制是指：随应力增加，矿物晶格发生扭曲形变而极化，致使矿物表面荷电产生电流引起区域电场异常；渗流电场机制是指：当应力增加到某种水平，岩石产生扩容变形，导致裂隙中的流体渗滤，因流体中离子电荷移动而形成渗滤电场引起区域电场异常(申俊峰等，2010).这两种机制本质上均由岩石所处应力环境改变引起(Morrow and Brace, 1981).2008年5月12日汶川大地震前，四川地区地电和地磁类观测结果表明(程万正等，2010)，出现的异常现象比例极低，且未观测到电磁类异常现象，引起地震学界的广泛争议.秦四清等(2016b)基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论，分析了汶川大地震的孕育过程，图 2示出了汶川地震区标志性地震事件之间的力学联系，可看出1976年8月四川松潘-平武间MS 7.2级双震震群是汶川大地震前的显著前震事件，前震发生后直至汶川大地震前，该区未发生ML>5.9级地震.换言之，汶川地震区自1976年前震事件后，第2锁固段已处于临界状态，但直至汶川大地震前，其物理状态并无显著改变，因此震前未观测到可识别的地电异常实属必然.
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图 2 汶川地震区638.2.14 -2015.11.21之间CBS值与时间关系(数据分析时选取MS≥5.5级地震事件；误差修正已被考虑) Figure 2 Temporal distribution of CBS in the period from 14 February 638 to 21 November 2015 for the Wenchuan seismic zone (The earthquake events with MS≥5.5 are selected for data analysis. The error correction is also considered.) |
再以地形变异常为例，分析其观测结果能否反映短临前兆.图 3示出了汶川大地震前5个跨断层观测场地的原始观测值时序，可看出除耿达水准外，其他时序曲线波动较大，难以找到形变异常与大地震的对应关系.若假设近震中场地(台站)观测到的显著震前断层预滑动为大地震前兆(周硕愚等，2009)，则距震中最近的耿达场地确实观测到了可识别的异常现象.我们认为，这种异常现象是否为可靠地震前兆有待商榷，其原因之一是断层运动导致岩石破裂才能发生地震，即断层必须是活动的，但每次断层滑动并不一定能引发大地震；原因之二是前震事件后，标志性地震事件通常滞后数年乃至数十年才能发生，汶川大地震约滞后32年.换句话说，判断某种物理异常是否为可靠大地震前兆，需进行长期观测才能得出明确结论.对汶川地震区，若在1976年后开始观测水准变化，监测曲线可能出现多次显著“波动”，但多数情况下短期内并未有大地震发生.显然，若某种异常现象与大地震的对应关系不具有唯一性，则不能视为可靠的地震前兆.
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图 3 龙门山断裂带5个跨断裂面短水准测站的观测时序(周硕愚等，2009) Figure 3 The time sequences of 5 fault-crossing short leveling sites at Longmenshan fault zone (Zhou et al., 2009) |
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图 4 唐山地震前水氡异常观测值曲线(据冯德益和郑熙铭(1987)修改) Figure 4 The observation value of radon anomaly before Tangshan earthquake (modified after Feng and Zheng (1987)) |
在岩石变形破坏过程中，其部分能量以弹性能、声能、电磁能等形式耗散，伴随有氡辐射脉冲增加、电磁辐射强度增加与红外辐射增强等，这些异常现象在室内岩石力学试验中能被识别(孙强等，2014)，但前震事件后至标志性地震事件前，震源体附近是否会产生此类异常，需结合震例进行分析.
以水氡异常为例，氡射气脉冲异常变化与加载过程中岩石的裂隙和表面积大量增加密切相关(王俊峰，2010).秦四清等(2016a，b，c)对全球62个主要地震区的震情分析表明，前震事件后至标志性地震事件前，大多数地震区无较大地震事件发生，也即震源体无较大的新裂缝产生，故难以把水氡异常现象视为大地震短临前兆.
图 4示出了1976年唐山大地震前棉4、田疃和务1井孔水氡含量变化曲线，可看出“波动”具有随机性特点，其与大地震的关系具有不确定性(冯德益和郑熙铭，1987).秦四清等(2016b)基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论，分析了1976年唐山大地震孕育过程，图 5示出了唐山地震区标志性地震事件之间的力学联系.可看出1969年7月18日渤海MS 7.4级地震是1次显著前震事件，该震发生后直至1976年唐山大地震前，该区未发生MS >5.5级地震，意味着震源体没有新的较大破裂面产生.如此，即使出现显著水氡异常现象，也不能视为大地震的短临前兆.
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图 5 唐山地震区公元前1767-2015.11.21之间CBS值与时间关系(数据分析时选取MS≥5.0级地震事件；误差修正已被考虑) Figure 5 Temporal distribution of CBS in the period from B.C. 1767 to 21 November 2015 for the Tangshan seismic zone (The earthquake events with MS≥5.0 are selected for data analysis. The error correction is also considered.) |
宏观前兆指人的感觉器官能直接感知的地震异常现象(张国民等，2001)，如中小地震、地下水异常、气象异常、动物异常、地声和地光等.
1.2.1 中小地震能作为大地震的短临前兆吗？大地震发生前，每个地震区都会发生数量众多的中小地震，根据中小地震活动增强特征在短期内预测大地震发生，属于小概率事件.
根据“小震闹，大地震到”的经验，我国“成功”预报了1975年海城大地震.秦四清等(2016a，b，c)的研究表明，只有在锁固段峰值强度点发生的标志性地震事件和某些预震(preshock)事件能被预测，而大多数预震为随机事件，只能判断其震级上限.海城大地震发生在珲春地震区(秦四清等，2016b)，图 6示出了该地震区标志性地震事件之间的力学联系.可以看出，海城大地震是未来MS 8.0~8.3级地震前的一次显著随机预震事件，理论上其不能被预测.因此，所谓海城大地震的“成功”预报，纯属偶然，不能认为是一次依据科学方法成功预报的案例.
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图 6 珲春地震区19.2-2016.1.3之间CBS值与时间关系(数据分析时选取MS≥6.5级地震事件；误差修正已被考虑) Figure 6 Temporal distribution of CBS in the period from February 19 to 3 January 2016 for the Hunchun seismic zone (The earthquake events with MS≥6.5 are selected for data analysis. The error correction is also considered.) |
大地震前地下水水位的异常变化，是震源区及其附近岩石的突然变形所致(郭增建等，1974；Roeloffs et al., 1989).2008年汶川大地震发生前后，对地下水位的观测结果加深了以往对大地震宏观异常的认识(陈立德和付虹，2010).图 7示出了汶川地震前泸州13号井水位日均值，未观测到显著的异常变化.我们认为其原因在于：(1)1976年前震事件后至汶川大地震前，汶川地震区未发生ML>5.9级地震，即震源体无较大的破裂变形产生，故不会出现明显的异常现象.(2)地下水位的动态变化，可能是区域构造活动的作用结果，也可能是水文因素的干扰所致(孙小龙，2016)，如何排除干扰并提取有效前兆异常信息，目前仍是地震监测预报的一大难题(车用太等，2011).鉴于此，地下水异常仍不能作为可靠的大地震短临前兆.
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图 7 泸州13号井水位日均值(据陈立德和付虹(2010)修改) Figure 7 The daily value curves of No. 13 well water level in Luzhou (modified after Chen and Fu (2010)) |
对于气象、动物、地声和地光等异常现象，目前尚缺乏合理的物理机制解释(Rikitake，1994)，需借助统计检验分析判断这些异常现象作为地震前兆的可靠性.应该指出，统计检验无法对观测现象本身是否为地震前兆给出肯定或否定的结论，但观测现象若要被视为可信地震前兆，则必须首先通过统计检验(吴忠良，1999).
卢双苓等(2015)以《中国震例》为主要参考资料，统计了中国大陆(范围: 17. 0°~55. 0°N，70°~150°E)在1966-2002年间，发生的1576次M≥5.0级地震的宏观异常现象，其中动物习性异常58次、地光异常18次、地声异常17次和气象异常9次，分别占地震总数的3.68%、1.14%、1.08%和0.57%，表明这些宏观异常现象与大地震的相关性很差，不能作为可靠的大地震短临前兆.
2 讨论与结论多年来，前人基于诸多地震前观测到的异常现象，总结出多种地震孕育模式和地震预测方法.但目前尚未发现可重复观测到的地震短临前兆，也没有可信的大地震短临预测成功案例，其原因在于：
(1)异常现象能否作为大地震前兆仍待考证.某物理量监测值在正常背景值范围内出现异常变化后，应首先鉴别其是否为地震异常(张国民等，2001). 秦四清等(2016a，b，c)的研究表明，每个地震区主震事件的孕育历时均很长，一般为数千年乃至上万年；标志性地震事件的时间间隔一般为数十年或数百年.目前各种异常现象的观测时间最长仅为几十年，通常为震前几年或几个月，因此我们对事后分析认为的异常是否为可信大地震前兆持严重怀疑态度，估计某些异常可能反映了大地震孕育过程中应力的局部涨落效应，而不是大地震前兆.再次强调，判断某种物理异常是否为可靠的大地震前兆，需进行长期观测才能得出明确结论.否则，就会陷入“事后总能找到异常，而事前则难以判明某种异常是否为地震前兆”的怪圈，且难以自拔.
(2)产生异常现象的物理机制不明确.若认为某种异常现象是地震前兆，必须严格论证异常现象的真实性，且阐明其产生机制，并接受可重复性检验，如此才能找到可靠的地震前兆.秦四清等(2016a，b，c)基于大量震例分析发现，前震事件后至标志性地震事件前，处于临界状态的大多数地震区再无较大地震发生，即震源体物理状态基本不变，相应地监测物理量也基本不变，故不存在可识别的短临物理前兆.
(3)可能混淆了异常现象与大地震发生前、震时与震后的对应关系.以电磁或电离层扰动异常为例，若在某次大地震震时或震后短期内观测到显著异常，容易从物理机制上给予解释.然而，根据上述分析知，标志性地震事件发生前，大多数地震区长期处于物理稳定状态，若大地震前能观测到显著异常，不仅不能证明其是短临前兆，反而证明是太阳高能辐射扰动所致.
综上分析，目前已发现的物理异常均不能作为可靠的大地震短临前兆.至于是否存在有助于地震预报的化学前兆或其他尚未可知前兆，本文并未涉及，仍需进一步探索.我们对前震与标志性地震事件发生时间关系的研究表明，从岩石剪切破裂的粘滞性入手，可能是突破大地震短临预测的关键所在.
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