Stuart Crampin

1）British Geological Survey，Edinburgh，United Kingdom

2）University of Edinburgh，School of GeoSciences，Edinburgh，United Kingdom

叔本華（1788—1860）

引言

“可操作性地震預(yù)報(bào)：發(fā)展現(xiàn)狀和使用手冊”由ICEF出版［1］。2009年4月6日意大利中部拉奎拉（L’Aquila）發(fā)生M6．3破壞性地震。地震后，意大利羅馬民事保護(hù)部組織召開了ICEF會議，目的在于在發(fā)生意大利中部的6．3級拉奎拉破壞性地震后，為意大利“可操作性地震預(yù)報(bào)”提供建議和指導(dǎo)?！翱刹僮餍缘卣痤A(yù)報(bào)的目標(biāo)就是給公眾提供地震危險(xiǎn)性信息，用于在潛在破壞性地震來臨之前作出決策”，在此，“有效利用概率預(yù)報(bào)所面臨的一個頗具挑戰(zhàn)性的突出問題就是將概率預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)化為低概率環(huán)境下的決策”（ICEF報(bào)告摘要，見文獻(xiàn)［2］）。來自9個國家的專家調(diào)研了6個地震活躍國家的地震預(yù)報(bào)程序，引證了將近500篇文獻(xiàn)，經(jīng)過嚴(yán)密論證，提交了一份長達(dá)77頁的地震預(yù)報(bào)調(diào)研報(bào)告。報(bào)告提出了13條建議［1］，如表1所示。委員會旨在這份全面的調(diào)研報(bào)告“不僅僅適用于意大利，也適用于其他地震活躍地區(qū)，在這些地區(qū)，可操作性地震預(yù)報(bào)可能很有必要”。如上所述，可操作性地震預(yù)報(bào)的依據(jù)在于在低概率的環(huán)境下做出決策［1］。因?yàn)閳?bào)告得出結(jié)論稱：“該委員會還沒有識別出一種被證實(shí)既可靠又有技術(shù)含量的大震短期預(yù)測方法”，因此，低概率的環(huán)境是確定無疑的。

人們可能希望未來幾年之內(nèi)這個全面且看似有根有據(jù)的報(bào)告是確定性的。然而，委員會忽視了流體－巖石形變的新認(rèn)識，這是地球物理學(xué)中的一個新興學(xué)科［3，4］。這種新認(rèn)識論證了剪切波分裂監(jiān)測到了地震發(fā)生前的幾乎所有原地巖石的應(yīng)力累積。這意味著能夠在高概率的環(huán)境下應(yīng)力預(yù)報(bào)即將來臨的大地震的時間、震級以及斷層破裂位置［5－7］。應(yīng)力預(yù)報(bào)是指在高概率的環(huán)境下進(jìn)行預(yù)報(bào)，而不是強(qiáng)調(diào)所采用的形式不同。應(yīng)力預(yù)報(bào)地震是處于高概率而不是低概率的環(huán)境下的，應(yīng)力預(yù)報(bào)地震的能力改變了ICEF報(bào)告中的觀點(diǎn)。

表1 ICEF報(bào)告的提議［1］

1 地球物理的一個新興學(xué)科：對流體－巖石變形的新認(rèn)識

基于小震群的剪切波沿應(yīng)力方向分裂（SWS）的全球觀測以及勘探行業(yè)的反射法勘探，記錄到了所有表面完整無破裂的巖石中約1．5%到約4．5%剪切波速度各向異性（SWVA）：即結(jié)晶巖、沉積巖、火成巖、變質(zhì)巖、高孔隙度巖石、低孔隙度巖石、固結(jié)巖、松散巖體［4］。圖1是剪切波分裂的示意圖。各向異性的對稱性表明剪切波分裂的快波水平偏振是由沿應(yīng)力取向排列的含飽和液體近似直立微裂紋的分布引起的［4］。平行裂紋的裂紋密度是SWVA比例的百分之一，圖2左側(cè)微裂隙圖像表示了裂隙密度的范圍（CD＝約0．015到約0．045）。性完全不同于傳統(tǒng)亞臨界地球物理學(xué)，在認(rèn)識這些新特性時，需要轉(zhuǎn)變觀念才能夠接受。因此，基于傳統(tǒng)亞臨界地球物理學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，地球物理學(xué)的這門新興學(xué)科會引起爭議，這些新特性不易被人們接受。Jordan和Jones［11］對 Crampin［5］關(guān)于ICEF 報(bào)告［12］的早期評論的回復(fù)證明，也許叔本華所說的真理第二階段中的強(qiáng)烈反對是合理的。

圖1 地殼中遍布多數(shù)巖石的沿應(yīng)力取向排列的含飽和流體微裂紋傳播的剪切波分裂示意圖（修改自文獻(xiàn)［8］）

圖2是可靠的。它表明除了嚴(yán)重破碎的巖床，幾乎所有原巖遍布著沿應(yīng)力取向排列的充滿流體處于破裂臨界狀態(tài)的微裂紋，流體飽和的裂紋在空間上排列得如此密集，一旦遇到小的擾動，就會發(fā)生失穩(wěn)（在斷裂和地震中）。破裂臨界狀態(tài)會在裂紋密度（對于沿應(yīng)力取向排列的裂紋）的滲透閾值達(dá)到0．55時出現(xiàn)，大量的裂紋造成了滲透路徑的存在［9］。這種瀕臨失穩(wěn)的現(xiàn)象形成了導(dǎo)致確定性紊亂的臨界系統(tǒng)，是物理學(xué)的一門新興學(xué)科［10］（地球物理學(xué)的一門新興學(xué)科），這門新興學(xué)科給傳統(tǒng)的亞臨界地球物理學(xué)賦予了全新的特性［3］。表3中所列的證據(jù)支持在傳統(tǒng)亞臨界地球物理學(xué)中無法解釋的這門新興學(xué)科。

表2中列出了圖2中隱含的新特性。這些新特性包括：自相似性、可監(jiān)測性、可計(jì)算性、可預(yù)測性、原則上還包括可控性、普適性以及極度（蝴蝶翅膀）敏感性。這些新特

圖2 均勻分布、相互平行、扁平狀、大小相等并具有相同百分比各向異性的裂紋的剪切波速度各向異性的觀測百分比示意圖，ε是裂紋密度，a為單位立方體的裂紋半徑。平行裂紋的破裂臨界滲透閾值為ε＝0．055，裂紋分布得如此緊密以致于存在小的擾動，就會發(fā)生失穩(wěn) （修改自文獻(xiàn)［8］）

2 監(jiān)測流體－巖石形變和應(yīng)力預(yù)報(bào)地震

剪切波分裂對于裂紋形狀的成像觀測可用來監(jiān)控應(yīng)力對原巖的影響［4］。剪切波分裂觀測的解釋證明地殼中應(yīng)力的增大主要是源自于構(gòu)造板塊邊緣巖漿的產(chǎn)生，板塊的俯沖以及板塊的相互作用。在最初階段，應(yīng)力增大現(xiàn)象是一般性的、普遍性的，因而我們無法識別出將要釋放地震應(yīng)力的斷層。累積的應(yīng)力會改變貫穿受壓巖體的裂紋縱橫比，直到微裂紋的幾何尺度開始接近破裂的臨界水平。直到那時，應(yīng)力場才能識別出即將破裂的斷層平面的弱化，微裂紋開始向最終斷層破裂處聚結(jié)，才開始出現(xiàn)應(yīng)力釋放［4，14，15］。地球是非常不均勻的，應(yīng)力積累極度不規(guī)則。如果應(yīng)力在較小巖體上積累，則聚集速度會很快，但是最終的地震震級不會很大。如果應(yīng)力在較大巖體上積累，則聚集速度會較慢，但是最終的地震震級會較大。因此，應(yīng)力變化的持續(xù)時間和地震震級的大小是自相似的（P1，表2）。因此監(jiān)測巖體周圍的應(yīng)力變化能夠應(yīng)力預(yù)報(bào)將要發(fā)生的地震的時間、大小，在某種情況下還能應(yīng)力預(yù)報(bào)發(fā)震斷層的位置。

通過 對 冰 島M1．7 級 震 群事 件［4］到2004年M9．2級蘇門答臘－安達(dá)曼（Sumatra－Andaman）地震（離震中約10 500km的冰島觀測到了剪切波分裂的變化［9］）等15個地震的回溯性研究，可以看出地震前應(yīng)力長時間積累和臨震前應(yīng)力釋放（裂紋聚集）的特征模式。其中，運(yùn)用冰島的地震數(shù)據(jù)，在地震發(fā)生前3天成功地應(yīng)力預(yù)報(bào)了冰島M5．0級地震［6，7］。這次地震被稱為首次科學(xué)預(yù)報(bào)的地震［6，7］。

只要剪切波分裂成為常規(guī)的監(jiān)測工作，成功預(yù)報(bào)地震就得以重復(fù)實(shí)現(xiàn)。然而，小震群過于稀少，幾乎不能用于剪切波分裂的可靠常規(guī)應(yīng)力預(yù)報(bào)，冰島特殊出露的中大西洋洋脊轉(zhuǎn)換斷層一直持續(xù)有地震活動是個例外［24，28］。

表2 屈從沿應(yīng)力取向排列的含飽和液體的微裂紋地殼的地球物理學(xué)的新興學(xué)科給傳統(tǒng)的亞臨界地球物理學(xué)帶來了新屬性

3 鉆孔應(yīng)力監(jiān)測站常規(guī)應(yīng)力預(yù)報(bào)的前景

為了避免應(yīng)力釋放和風(fēng)化異常的影響，監(jiān)測原巖中應(yīng)力引起的剪切波分裂變化需要在近地表下方；監(jiān)測點(diǎn)的深度必須低于垂直應(yīng)力σv大于水平應(yīng)力σh的深度（約1 000m）。這就意味著主應(yīng)力軸的方向與σv沿深度增加的方向一致，所以地表的觀測能夠直接闡明剪切波分裂時間延遲［16］。

表3 支持各向異性彈性模式形變的證據(jù)和可計(jì)算的對于壓力敏感的微裂紋巖體的地球物理學(xué)的新興學(xué)科

可靠的常規(guī)應(yīng)力預(yù)報(bào)需要在三井孔（1 000～1 500m）應(yīng)力監(jiān)測站（SMS）使用井下軌道式振動器（DOV）產(chǎn)生沿特殊應(yīng)力方向和入射角的剪切波井間地震［29］。應(yīng)力監(jiān)測站典型 連接中大西洋洋脊的胡薩維克－弗雷特（Húsavík－Flatey）轉(zhuǎn)換斷層的鉆孔，位于冰島北部的特殊出露處，盡管沒有最優(yōu)的觀測幾何形態(tài)，卻展現(xiàn)出了特殊的靈敏度。500m深度處水平傳播超過315m的記錄觀測到了7種異常，包括P波和剪切波分裂的走時異常，剪切波速度各向異性異常以及GPS南北東西方向異常以及位于胡薩維克—弗雷特?cái)鄬痈浇豢谒乃钭兓惓?。這些異常由一個小震群引起，該震群所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于一個距離格雷姆賽梯度帶（Grimsey－Lineament）轉(zhuǎn)換板塊70km 震級為3．5的地震，這一異常距離是常規(guī)震源尺度的數(shù)百倍。

這種極度敏感性意味著單個三井SMS就能監(jiān)測到距離最遠(yuǎn)可達(dá)到1 000km的M5級地震前的應(yīng)力變化［19］。因此在意大利中部建立單個SMS有潛力應(yīng)力預(yù)報(bào)意大利境內(nèi)所有破壞性地震（M≥5）的時間和震級大小。以我們目前對于這種現(xiàn)象的認(rèn)識來看，應(yīng)力預(yù)報(bào)斷層破裂的位置需要當(dāng)?shù)厍罢仔?yīng)的解釋。然而預(yù)報(bào)即將發(fā)生的大地震，需要對于一些容易忽視的現(xiàn)象作出切合實(shí)際的解釋。在冰島M5地震的預(yù)報(bào)中，我們就對這些現(xiàn)象作出了正確的解釋。冰島那次成功應(yīng)力預(yù)報(bào)的M＝5地震的斷層破裂位置就是根據(jù)6個月前一次M＝5．1地震斷層面上的持續(xù)地震活動估算出來的［6，7］。

4 應(yīng)力監(jiān)測火山爆發(fā)

火山爆發(fā)前也觀測到了SWS變化的應(yīng)力積 累［24，30，31］，Gerst 和 Savage［32］建 議 可以將應(yīng)力預(yù)報(bào)作為預(yù)報(bào)火山爆發(fā)的一種手段。這并不意外，因?yàn)閹r漿噴出地表前，火山口肯定會發(fā)生破裂，就會出現(xiàn)類似地震前的應(yīng)力累積現(xiàn)象?；鹕奖l(fā)前SWS測量的例子已經(jīng)有幾個，它們并不能證實(shí)火山爆發(fā)前應(yīng)力釋放（裂紋貫通）會減少。

Volti和Crapmin［24］的觀測被認(rèn)為是去監(jiān)測中大西洋洋脊2年的擴(kuò)張周期。2006年，格嘉普（Gjàlp）火山沿著裂縫噴發(fā)時，瓦特納（Vatnaj?kull）冰原下方已經(jīng)出現(xiàn)了5個月的應(yīng)力積累增大。在2006年冰島研討會上，我的報(bào)告中提到了火山爆發(fā)前一個月出現(xiàn)的SWS延時增大的現(xiàn)象［33］，這實(shí)際上應(yīng)力預(yù)報(bào)了這次地震的爆發(fā)。然而那時我們對于SWS的認(rèn)識才初步形成，并沒有將其與火山爆發(fā)聯(lián)系起來。火山爆發(fā)后，冰島所有臺站歸一化后的SWS延時結(jié)果顯示出了2ms／km／a（應(yīng)力釋放）的減少，這種現(xiàn)象持續(xù)了兩年。

意大利SMS的建立將給應(yīng)力預(yù)報(bào)維蘇威火山（Vesuvius）和埃特納火山（Etna）的爆發(fā)提供機(jī)會．

5 結(jié)論

表1中所列的ICEF報(bào)告的13條提議基于錯誤的假設(shè)“可靠，技術(shù)過硬的確定性地震預(yù)測目前為止是不可能的”［1］得出的。在這篇評論中，我已經(jīng)列出來了意大利中部3井孔SMS處的SWS觀測如何能夠監(jiān)測離SMS 1 000km以內(nèi)的所有破壞性地震（M≥5）前的應(yīng)力積累和應(yīng)力釋放（裂紋貫通）［19］。這意味一個昂貴的SMS（最好是橫貫整個意大利安裝兩個）的建立能夠應(yīng)力預(yù)報(bào)意大利境內(nèi)所有潛在的破壞性地震的時間、震級，在一定條件下還能預(yù)報(bào)斷層破裂的位置。西西里埃特納地震和火山的監(jiān)測可能需要另一個SMS。

需要注意的是，在澳大利亞墨爾本舉辦的地球內(nèi)部物理和地震國際委員會（IASPEI）科學(xué)大會第4項(xiàng)議案認(rèn)可和通過了最終的ICEF報(bào)告［1］。因此，根據(jù)本文ICEF報(bào)告不可靠性的論證，IASPEI第4項(xiàng)決議需要修改。

致謝

這項(xiàng)工作的發(fā)表得到了英國地質(zhì)調(diào)查局的批準(zhǔn)（NERC）。

原題：Comment on the report“Operational Earthquake Forecasting”by the International Commission on Earthquake Forecasting for Civil Protection。

（中國地震局地球物理研究所 王生文 譯；陳學(xué)忠 校）。

（譯者電子信箱，王生文：wangshengwen112＠163．com ）

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