?
福建省固體潮學(xué)科發(fā)展研究報(bào)告
福建省地震學(xué)會(huì)
固體潮學(xué)科由地傾斜、地應(yīng)變和重力固體潮等子系統(tǒng)構(gòu)成。該文詳細(xì)介紹了地傾斜、地應(yīng)變、重力進(jìn)行地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的基本原理及研究現(xiàn)狀,并指出了福建省固體潮學(xué)科發(fā)展面臨的挑戰(zhàn),最后給出了相應(yīng)的戰(zhàn)略對(duì)策。
地震 固體潮 學(xué)科發(fā)展
地震固體潮學(xué)科是在1966年邢臺(tái)大地震后逐漸形成的,從學(xué)科分類(lèi)來(lái)講,固體潮學(xué)科既屬于地球物理學(xué),又可屬于大地測(cè)量學(xué),因?yàn)檫@兩者都包括了重力測(cè)量學(xué),而地球潮汐或固體潮又是重力測(cè)量學(xué)著重研究的內(nèi)容之一。由于大地測(cè)量學(xué)與地球物理學(xué)是密不可分的,因此在國(guó)際上就成立了國(guó)際大地測(cè)量學(xué)與地球物理學(xué)聯(lián)合會(huì)。
早在1966年邢臺(tái)地震之前,前蘇聯(lián)、日本就曾采用地傾斜儀、重力儀與伸縮儀作為檢測(cè)地震前兆手段,后來(lái)美國(guó)與歐洲一些國(guó)家也曾采用這些方法作為地震前兆監(jiān)測(cè)手段,也積累了一些成功案例。到目前為止,我國(guó)已建成了固體潮汐形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)是由地傾斜、地應(yīng)變和重力固體潮等3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成,這樣一個(gè)系統(tǒng)經(jīng)歷了3個(gè)階段的發(fā)展。第一階段,以裝備低靈敏度、目視觀測(cè)儀器(第一代)為主,第二階段以裝備高靈敏度、能清晰自動(dòng)連續(xù)記錄潮汐形變的儀器(第二代)為主,第三階段則是從以模擬記錄為特征的第二代儀器向數(shù)字化儀器轉(zhuǎn)換為主,在實(shí)現(xiàn)數(shù)字化觀測(cè)后,固體潮汐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就可通過(guò)不同時(shí)間的采樣,在一個(gè)非常寬闊的頻帶范圍內(nèi)對(duì)地殼動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)地表運(yùn)動(dòng)的方向、速度及其巖石特性的變化,從而填補(bǔ)了測(cè)震學(xué)與大地測(cè)量學(xué)之間頻率范圍的空白,有利于監(jiān)測(cè)短期前兆向臨震前兆演變圖像,并有利于監(jiān)測(cè)震后的地殼調(diào)整過(guò)程(蠕變成松弛過(guò)程)。
自牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律以后,就有國(guó)外學(xué)者試圖從實(shí)驗(yàn)角度對(duì)萬(wàn)有引力定律進(jìn)行實(shí)證,既然海潮漲落與月相有關(guān),那么作為彈性地球表面必然會(huì)在月亮的萬(wàn)有引力作用下發(fā)生像海潮一樣的漲落,地表面也會(huì)發(fā)生傾斜,重力也會(huì)發(fā)生變化。最早在深處礦井中進(jìn)行了鉛垂線的變化觀測(cè),由于觀測(cè)精度太低,無(wú)法驗(yàn)證。后來(lái)發(fā)明了水平擺,水平擺實(shí)際上就是擺線放大了的鉛垂擺,水平擺的旋轉(zhuǎn)軸與重力鉛垂線夾角越小,放大倍數(shù)越高,這種水平擺觀測(cè)到了地表在月亮萬(wàn)有引力下發(fā)生的每日兩高兩低的潮汐變化。隨后又研制了高精度的重力儀和伸縮儀,先后觀測(cè)重力與應(yīng)變固體潮,觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步又促進(jìn)了固體潮理論的發(fā)展。19世紀(jì)20年代,英國(guó)人Doodson(杜森)將起潮力按照幅角數(shù)對(duì)潮汐波進(jìn)行了自然分類(lèi),把起潮力位表示成振幅為常數(shù)的386個(gè)分潮波之和。在同一時(shí)期,Brouwa(布朗)給出了對(duì)某一瞬時(shí)計(jì)算杜森起潮力位的6個(gè)天文參數(shù)的計(jì)算公式,從而可以從理論值計(jì)算任何時(shí)刻的固體潮理論值,并且固體潮理論值與其觀測(cè)性符合得非常好,從而堅(jiān)定了人們對(duì)固體潮觀測(cè)值的可靠性信心。在上世紀(jì)初,美國(guó)學(xué)者里德根據(jù)對(duì)1906年美國(guó)舊金山8.3級(jí)大地震發(fā)生前后的地殼形變測(cè)量結(jié)果,提出了彈性回跳理論。根據(jù)這個(gè)理論,當(dāng)斷層的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的地殼中彈性應(yīng)變能的積累達(dá)到地震應(yīng)變所能允許臨界點(diǎn)時(shí),斷層斷裂產(chǎn)生回跳,從而引發(fā)了地震。當(dāng)大地震發(fā)生后,道路會(huì)錯(cuò)開(kāi),鐵軌扭曲,地面開(kāi)裂,沉陷或隆起、冒沙、噴水等一系列地面變化會(huì)發(fā)生。根據(jù)里德彈性回跳理論,在地震之前斷層會(huì)發(fā)生應(yīng)變,必然會(huì)引起地面傾斜、伸縮和重力的變化,從而促使各國(guó)學(xué)者試圖采用固體潮觀測(cè)來(lái)捕捉地震前兆的想法。我國(guó)是在1966年邢臺(tái)7.2級(jí)地震后,開(kāi)始了地震形變監(jiān)測(cè),并建立了許多定點(diǎn)臺(tái)站進(jìn)行地面傾斜與重力觀測(cè),到19世紀(jì)80年代又開(kāi)始了地應(yīng)變觀測(cè)工作。前蘇聯(lián)、美國(guó)與日本開(kāi)展固體潮觀測(cè)比我國(guó)略早一點(diǎn),前蘇聯(lián)在處于歐亞地震帶的烏茲別克、塔吉克、土庫(kù)曼等地開(kāi)展了傾斜固體潮觀測(cè),美國(guó)則在西部的圣安德烈斯斷層地區(qū)開(kāi)展了固體潮觀測(cè),日本上世紀(jì)30年代就開(kāi)展了地傾斜與應(yīng)變觀測(cè)。上世紀(jì)80年代,在美國(guó)研究理事會(huì)所屬的大地測(cè)量委員會(huì)和地震學(xué)委員會(huì)下設(shè)了地殼運(yùn)動(dòng)測(cè)量專(zhuān)業(yè)委員會(huì),提出了一個(gè)十年規(guī)劃,其任務(wù)是:“提出有關(guān)確定現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng),尤其是地震活動(dòng)帶地殼運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)略建議?!痹谠撗芯繄?bào)告中,特別是捕捉地震短臨前兆信息方面,強(qiáng)化了進(jìn)行固體潮觀測(cè)的重要性,并對(duì)如何改進(jìn)觀測(cè)精度,減少環(huán)境影響,進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)和理論探索。例如,空腔效應(yīng)對(duì)地面傾斜與應(yīng)變觀測(cè)的影響。前蘇聯(lián)則在太陽(yáng)加熱效應(yīng)對(duì)地面傾斜的影響進(jìn)行了觀測(cè)與研究,發(fā)現(xiàn)地面傾斜觀測(cè)受氣溫影響會(huì)出現(xiàn)周日變化,在太陽(yáng)的年周期影響下,會(huì)出現(xiàn)周年變化現(xiàn)象。為了避免外來(lái)干擾,地面觀測(cè)轉(zhuǎn)向了洞體與鉆孔觀測(cè)。
我國(guó)固體潮觀測(cè)走在世界前列,在全國(guó)建立了一個(gè)較好覆蓋的固體潮觀測(cè)系統(tǒng),它由傾斜、應(yīng)變與重力固體潮觀測(cè)組成。在一些重點(diǎn)臺(tái)站,建立了完備的固體潮觀測(cè)系統(tǒng),集重力、傾斜與應(yīng)變觀測(cè)于一體,并同時(shí)進(jìn)行氣壓、氣溫等觀測(cè)。從本世紀(jì)初,由模擬觀測(cè)走向了數(shù)字觀測(cè),實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸與數(shù)據(jù)處理。由地面轉(zhuǎn)向洞體、鉆孔,在時(shí)空尺度上把地殼形變觀測(cè)的各種手段連成一體,可獲取地殼運(yùn)動(dòng)的綜合圖像的觀測(cè),促使研究由幾何學(xué)向運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方向發(fā)展,從而使定量化研究地震前地殼形變的短臨圖像成為可能。我國(guó)十分重視經(jīng)驗(yàn)總結(jié),在上世紀(jì)80年代,開(kāi)展了固體潮觀測(cè)清理攻關(guān)工作,包括儀器的性能、干擾以及前兆反映,90年代又進(jìn)行了實(shí)用化攻關(guān),對(duì)前兆指標(biāo)進(jìn)行了研究。
國(guó)外固體潮觀測(cè)與研究大多是一種“拆零研究”,是分散地布設(shè)固體潮觀測(cè),沒(méi)有把幾種不同類(lèi)型的固體潮觀測(cè)集中到一起進(jìn)行綜合觀測(cè),因此其研究也是分別進(jìn)行的,這可能是與他們的體制有關(guān)。因?yàn)橐话闶窃诘卣{(diào)局,或有關(guān)大學(xué)與研究所分列進(jìn)行觀測(cè)與研究,不像我們?cè)谥袊?guó)地震局系統(tǒng)統(tǒng)一布署下進(jìn)行。隨著觀測(cè)與研究的深入,發(fā)現(xiàn)由于地殼介質(zhì)不均勻會(huì)在破裂(地震)之前出現(xiàn)明顯的不同階段,會(huì)出現(xiàn)周期不同的地形變,越接近破裂,影響就越明顯。眾所周知,應(yīng)變固體潮為起潮力位對(duì)經(jīng)緯度的二階導(dǎo)數(shù),傾斜固體潮為起潮力位對(duì)經(jīng)緯度的一階導(dǎo)數(shù),而垂力則是對(duì)徑向半徑的一階導(dǎo)數(shù)。從濾波角度看,應(yīng)變固體潮相當(dāng)于一個(gè)二階微分器,實(shí)際上是一個(gè)高通濾波器,所以對(duì)短臨前兆反應(yīng)最為靈敏,重力固體潮相對(duì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)低通濾波器,對(duì)范圍較大的異常反應(yīng)較敏感,而傾斜固體潮的反應(yīng)恰好位于這兩者之間,因此,這三種類(lèi)型的固體潮前兆在應(yīng)變積累過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一種有序性,從而增加了我們判別異常前兆的可靠性。此外,這三種固體潮雖然是同源異?,F(xiàn)象,但三者具有內(nèi)在聯(lián)系,它們對(duì)天體起潮力響應(yīng)的潮汐因子都是與固體地球勒夫數(shù)有關(guān),因此,可以從對(duì)同一臺(tái)站三種固體潮的綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)中提取震前由于應(yīng)變積累出現(xiàn)的物性變化。從上世紀(jì)末到本世紀(jì)初,我國(guó)開(kāi)始建立了一些集重力、傾斜與應(yīng)變固體潮觀測(cè)于一身的固體潮綜合觀測(cè)站,我省廈門(mén)地震臺(tái)就是其中之一。由于高精度的微伽重力儀價(jià)格昂貴,一般臺(tái)站除不進(jìn)行重力固體潮觀測(cè)外,大都同時(shí)進(jìn)行了傾斜與應(yīng)變固體潮觀測(cè)。為了增加觀測(cè)的可靠性,我國(guó)一些地區(qū),例如四川,在一些臺(tái)站已開(kāi)展了三個(gè)方向的洞體應(yīng)變固體潮觀測(cè),一些臺(tái)站已進(jìn)行了4分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè),豐富了研究的內(nèi)容,提高了可信度。
我國(guó)固體潮觀測(cè)在規(guī)模、觀測(cè)質(zhì)量以及干擾排除方面都取得了較好的成績(jī),這緣于我國(guó)非常重視規(guī)范化管理,制定了地殼形變及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)的規(guī)范,對(duì)地傾斜、固體應(yīng)變及鉆孔應(yīng)變、重力觀測(cè)臺(tái)站的建設(shè)、儀表選型、布設(shè)安裝、觀測(cè)原理都作了詳細(xì)的規(guī)定。除此以外,還定期頒布了地傾斜、洞體應(yīng)變、鉆孔應(yīng)變及重力觀測(cè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
大面積地形變測(cè)量方法分為重力測(cè)量、水準(zhǔn)垂直形變測(cè)量、水平形變測(cè)量三種。重力觀測(cè)資料數(shù)據(jù)處理包括提取相鄰兩點(diǎn)的重力差(段差)、各點(diǎn)相對(duì)于某一點(diǎn)的重力值變化。垂直形變測(cè)量數(shù)據(jù)的分析計(jì)算,可以獲取兩點(diǎn)的高差及其速率變化。水平形變資料的數(shù)據(jù)處理可以獲得兩點(diǎn)的距離和方向的改變量,以及各點(diǎn)的坐標(biāo)值及其變化。
固體潮觀測(cè)處理方法,國(guó)外除一般采用波形與相位比較多外,大多采用維克尼科夫數(shù)字濾波器對(duì)固體潮觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析以取得潮汐因子。潮汐因子即在某個(gè)波群頻段上觀測(cè)振幅與其理論振幅之比。重力與傾斜固體潮潮汐因子有一個(gè)預(yù)期的理論值。據(jù)前蘇聯(lián)學(xué)者研究,震前潮汐因子可能有5%的變化。我國(guó)除采用上述方法外,還特別重視觀測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理,結(jié)合氣象資料排除干擾,采用拉加伊(NaKai)方法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)以剔除粗差,采用別爾采夫?yàn)V波方法剔除線性漂移。
天體起潮力引起的地殼形變問(wèn)題歸根結(jié)底是一個(gè)力學(xué)問(wèn)題,通過(guò)地殼形變觀測(cè)達(dá)到預(yù)報(bào)地震的目的,其理論基礎(chǔ)可理解為地殼形變是作為彈性地球介質(zhì)對(duì)力的一種響應(yīng)。力是物體對(duì)物體的作用,這種作用可以是直接的,如板塊間的相對(duì)碰撞和斷層間的相對(duì)滑動(dòng);也可以是不接觸的,如月亮和太陽(yáng)對(duì)地球的起潮力。力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。若是物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了改變,則一定受到了力的作用。但物體受力的效果則不盡相同,或是改變了物體的運(yùn)功狀態(tài),或僅是物體的形狀發(fā)生了變形,或兩者兼而有之。
現(xiàn)有形變觀測(cè)方法,其觀測(cè)時(shí)間尺度大致為幾秒至100年,這是地殼運(yùn)動(dòng)的一個(gè)特殊時(shí)段,高于這一頻段的是地震學(xué)研究的時(shí)段,低于這一頻段的是地貌學(xué)和地質(zhì)學(xué)研究的時(shí)段。幾秒至100年之間各時(shí)段的地殼運(yùn)動(dòng)問(wèn)題,就是地殼形變學(xué)科研究對(duì)象。由于觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在已占有這一研究對(duì)象的一些事實(shí),并正在不斷積累事實(shí),在有關(guān)地形變預(yù)報(bào)地震的原理、方法方面做深入的探索,為地震預(yù)報(bào)提供一個(gè)扎實(shí)的理論基礎(chǔ),在此基礎(chǔ)上提出一些預(yù)報(bào)方法。毋庸諱言,地震預(yù)報(bào)是當(dāng)今世界科學(xué)難題之一,與此同時(shí),地震又是給人類(lèi)造成慘劇的嚴(yán)重的自然災(zāi)害之罪魁禍?zhǔn)?。正如人?lèi)面對(duì)自身的癌癥一樣,在沒(méi)有最終弄清癌癥病因之前,醫(yī)生也得懸壺濟(jì)世,以治療和解除病人的痛苦。地震宛如地球的癌癥,在地震機(jī)理尚未完全弄清楚之前,作為地震科技工作者,不能坐等機(jī)理完全弄清楚了才去進(jìn)行地震預(yù)報(bào),只能邊監(jiān)測(cè)、邊研究、邊預(yù)報(bào),這完全符合我國(guó)國(guó)情。
地震預(yù)報(bào)水平的提高,從根本上說(shuō),依賴(lài)于有關(guān)學(xué)科領(lǐng)域研究的深入和近代技術(shù)的進(jìn)步。目前地震預(yù)報(bào)仍處于以經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)為主的階段,預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)的把握和應(yīng)用十分重要。為此,必須要把分散的經(jīng)驗(yàn)集中和提煉起來(lái),以應(yīng)用于地震預(yù)報(bào),同時(shí)在預(yù)報(bào)實(shí)踐工作中不斷加以檢驗(yàn)、總結(jié)和改進(jìn),以促進(jìn)地震預(yù)報(bào)水平的提高。
我省地震固體潮學(xué)科目前面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),正如我國(guó)地震預(yù)報(bào)面臨的情況一樣,主要是:
①天體起潮力的地震觸發(fā)機(jī)制還未弄清楚。雖然我們現(xiàn)在借助傾斜儀、重力儀及應(yīng)變儀可以清晰地了解地殼在起潮力作用下是如何變形的。重力是如何變化的,對(duì)起潮力是如何引起這些變化也是清楚的,但對(duì)起潮力的地震觸發(fā)機(jī)理還知之甚少,只是積累了一些經(jīng)驗(yàn)事件。
③我省處于海峽西岸,固體潮受海潮負(fù)荷影響很大,增加了提取與識(shí)別地震前兆的困難。
④我省有些固體潮儀器運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng),觀測(cè)質(zhì)量有所下降,有待更新。
⑤固體潮觀測(cè)正處于由地面向地下觀測(cè)轉(zhuǎn)型,我省深井觀測(cè)臺(tái)站只有漳州臺(tái),應(yīng)適當(dāng)增加深井綜合觀測(cè)。
⑥固體潮觀測(cè)應(yīng)加快由拆零研究向綜合觀測(cè)研究的轉(zhuǎn)型。
⑦對(duì)固體潮前兆短臨前兆指標(biāo)還缺乏清晰的認(rèn)識(shí)。
3.2 對(duì)我省固體潮觀測(cè)轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)
面對(duì)固體潮觀測(cè)從地面轉(zhuǎn)向地下,從拆零觀測(cè)轉(zhuǎn)向綜合觀測(cè)的趨勢(shì),我省必須未雨綢繆,從現(xiàn)在起應(yīng)從以下幾個(gè)方面做好有關(guān)準(zhǔn)備工作:
①根據(jù)地震活動(dòng)水平及斷層活動(dòng)狀態(tài),結(jié)合地質(zhì)情況,作好選址和勘探工作。
②結(jié)合我省地震監(jiān)測(cè)部署,對(duì)深井綜合觀測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)研工作,包括還要進(jìn)行哪些綜合觀測(cè)、觀測(cè)項(xiàng)目及欲選用儀器的性能及其技術(shù)指標(biāo)。
③做好深井綜合觀測(cè)人員的培訓(xùn)工作,為日后做好技術(shù)儲(chǔ)備。
④派出去、請(qǐng)進(jìn)來(lái),使觀測(cè)人員了解并熟悉深井綜合觀測(cè)的現(xiàn)狀與進(jìn)展。
⑤對(duì)現(xiàn)有漳州臺(tái)深井4分量應(yīng)變觀測(cè)井加強(qiáng)管理,做到觀測(cè)連續(xù)可靠,并做好對(duì)觀測(cè)資料的綜合分析工作。
采用固體潮方法預(yù)報(bào)地震的原理,按國(guó)際通行說(shuō)法,由于天體起潮力的觸發(fā)和調(diào)制作用,當(dāng)震源區(qū)的應(yīng)變積累到巖石的臨界點(diǎn)時(shí),天體起潮力可能會(huì)觸發(fā)地震發(fā)生,這就是所謂的加載和卸載原理。從震源機(jī)制看,斷層發(fā)生破裂(地震)之前周期不同的地形變?cè)浇咏屏?,這種現(xiàn)象越明顯,且?guī)r石的特性也會(huì)發(fā)生變化,從而會(huì)引起固體潮潮汐因子發(fā)生變化以及固體潮波形與相位畸變,把觀測(cè)曲線與其理論曲線相比照,就很容易發(fā)現(xiàn)這種畸變。當(dāng)然,上述兩種原理僅僅是一種假設(shè),很難得到實(shí)證。并且有些現(xiàn)象與在一定條件下所假設(shè)的物理和化學(xué)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)重復(fù)性的現(xiàn)象相違背,例如有地震并一定發(fā)生在滿(mǎn)月附近,在滿(mǎn)月附近也不一定就發(fā)生地震,這種前兆多樣性現(xiàn)象造成了所謂的前兆異常復(fù)雜性。
固體潮的分析預(yù)報(bào)方法大致可以歸納為波形與相位的畸變、潮汐因子的變化速率明顯改變、測(cè)值發(fā)生波動(dòng)以及差分判別法。傾斜固體潮由于有東西、南北2個(gè)分量,其分析方法有矢量圖識(shí)別法,最大相關(guān)系數(shù)判別法。對(duì)鉆孔應(yīng)變,可采用面應(yīng)變異常、主應(yīng)變與主方向異常等來(lái)分析預(yù)報(bào)。毋庸置疑,以上方法主要是根據(jù)許多震例總結(jié)出來(lái)的,可以說(shuō)是一種看圖識(shí)字,其背后的物理機(jī)制,目前我們不甚了解,僅是一種統(tǒng)計(jì)與經(jīng)驗(yàn)性,上升不到氣象預(yù)報(bào)那樣的理論高度,即根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁?、氣壓與濕度三要素關(guān)系就可以做出較為確切的氣象預(yù)報(bào)。近年來(lái),雖然國(guó)內(nèi)外在震源物理和前兆機(jī)理方面做出了很多工作,但地震畢竟發(fā)生在地下深處,又不能直接勘測(cè),僅能依靠在地表面的觀測(cè)加以反演推斷。因此,目前所能得到的一些前兆模型僅能用來(lái)對(duì)一些前兆現(xiàn)象進(jìn)行解釋?zhuān)壳斑€不能用于地震預(yù)報(bào)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有兩個(gè):一是大地震本身就是一種小概率事件,能捕捉到前兆的機(jī)會(huì)不多;二是觀測(cè)資料中還有干擾和噪聲,由于干擾噪聲的魚(yú)目混珠,使本來(lái)很微弱的前兆信息變得模糊不清甚至被淹沒(méi)掉,而要嚴(yán)格地把它們區(qū)分開(kāi)來(lái)是十分困難的。由上述諸種分析方法所發(fā)現(xiàn)的地震前兆具有很強(qiáng)的主觀經(jīng)驗(yàn)色彩,帶有很大的隨意性。為此,尋找“必震前兆”就成為地震工作者努力探索的目標(biāo)。所謂“必然前兆”指的是這樣一種前兆,一旦捕捉到了這種前兆,發(fā)生地震就必然無(wú)疑了。就“必震前兆”這個(gè)含義而言,就隱含著表征斷層位移的數(shù)學(xué)物理方程的解是唯一的,是一種決定論的看法。但根據(jù)非線性理論的研究,表征斷層位移的解是不確定的。因?yàn)槿魏纬跏歼吔鐥l件的微小變化,都會(huì)使其解發(fā)生很大的變化,出現(xiàn)復(fù)雜圖像。根據(jù)有關(guān)學(xué)者研究,如果巖石介質(zhì)是非均勻的,在發(fā)生地震前可能會(huì)出現(xiàn)多種前兆變化,即所謂前兆的復(fù)雜性。就這個(gè)意義上來(lái)說(shuō),尋找必震前兆是很難辦到的。這樣,就不僅只觀測(cè)一種異常變化,而要注意面上呈現(xiàn)的群體變化,即進(jìn)行綜合觀測(cè),可能是目前可尋找前兆的一種較好途徑。
我省地震固體潮學(xué)科發(fā)展要從觀測(cè)系統(tǒng)的投入建設(shè)與科技人員分析能力和水平的提升入手,即從硬件與軟件兩方面著手。
在觀測(cè)系統(tǒng)方面,有計(jì)劃有步驟地做好以下幾個(gè)方面的工作:
①排除與削弱外界干擾:固體潮觀測(cè)儀器精度高,對(duì)外界各種干擾(例如人工爆破、氣溫、氣壓、降雨、海潮)極其敏感,如何消除和降低這些干擾是提取和識(shí)別前兆信息的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
②儀器的保養(yǎng)與維護(hù):有的臺(tái)站儀器老化比較嚴(yán)重,要予以及時(shí)更換和維修。
③固體潮綜合觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的調(diào)研工作:結(jié)合我省地震活動(dòng)特性和地質(zhì)構(gòu)造特征,通過(guò)充分驗(yàn)證,做好固體潮綜合觀測(cè)臺(tái)站的選址工作。
④深井地球物理綜合觀測(cè)系統(tǒng)儀器選型:做好深井綜合觀測(cè)系統(tǒng)儀器的選型及配套調(diào)研工作,對(duì)現(xiàn)有儀器的精度、性能及技術(shù)指標(biāo)、價(jià)格,進(jìn)行比較研究,做到心中有數(shù)。
只有做好了以上各項(xiàng)工作,才能在儀器裝備上為我省地震固體潮學(xué)科的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)裝備基礎(chǔ)。
在科研人員業(yè)務(wù)水平的提升方面,應(yīng)有計(jì)劃、有步驟地做好以下幾個(gè)方面的培訓(xùn)工作:
①了解熟悉固體潮觀測(cè)系統(tǒng)的原理:從事固體潮觀測(cè)資料分析的科技人員,首先要清楚了解水平擺傾斜儀、連通管傾斜儀、垂直擺傾斜儀、重力儀、伸縮儀的性能和技術(shù)指標(biāo)。如它們的傳遞函數(shù)、格值及其標(biāo)定方法、數(shù)采的最高截止頻率,才能對(duì)觀測(cè)資料中所含的信息做到心中有數(shù)。
②熟悉并掌握有關(guān)觀測(cè)資料的數(shù)據(jù)處理方法:對(duì)固體潮觀測(cè)資料的數(shù)據(jù)處理,涉及到彈性力學(xué)、固體潮理論、張量分析、頻譜分析、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、平差理論,省地震局的有關(guān)部門(mén)應(yīng)有計(jì)劃地安排現(xiàn)有年輕科技人員加強(qiáng)培訓(xùn),以提高他們的學(xué)術(shù)水平和能力。
③弘揚(yáng)獨(dú)立思考與創(chuàng)新精神:在平時(shí)工作中,應(yīng)提倡獨(dú)立與自由思考,創(chuàng)造出一種學(xué)術(shù)自由的氛圍,充分發(fā)揮科技人員的創(chuàng)新精神,以培養(yǎng)科技人員堅(jiān)韌不拔、甘耐寂寞的科研精神。
④要了解國(guó)內(nèi)外固體潮學(xué)科的進(jìn)展,跟蹤國(guó)內(nèi)外固體潮學(xué)科的最新動(dòng)態(tài),要鼓動(dòng)科技人員多思考、多閱讀有關(guān)國(guó)內(nèi)國(guó)外的專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn),動(dòng)手撰寫(xiě)論文與研究報(bào)告。
⑤在地震預(yù)報(bào)工作中,培養(yǎng)科技人員知難而進(jìn)的攻關(guān)精神、提倡科學(xué)求真的精神與求善的人文情懷,為攻克地震預(yù)報(bào)科學(xué)難題貢獻(xiàn)畢生。
重點(diǎn)戰(zhàn)略是消化吸收國(guó)內(nèi)外地震固體潮學(xué)科的最新科研成果,做到為我所用,同時(shí)做好深井觀測(cè)與固體潮綜合觀測(cè)分析的諸項(xiàng)準(zhǔn)備工作,并做好人員培訓(xùn)工作,為日后的學(xué)科發(fā)展研究奠定基礎(chǔ)。
總體目標(biāo):我省地震監(jiān)測(cè)建立一個(gè)固體潮深井綜合觀測(cè)系統(tǒng),以提升監(jiān)測(cè)大震短臨前兆的能力和水平。目前的階段目標(biāo)是對(duì)現(xiàn)有的固體潮觀測(cè)手段與分析資料進(jìn)行整理,找出薄弱環(huán)節(jié),明確今后工作方向。
地震是地殼介質(zhì)在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生破裂的一種表現(xiàn)形式。應(yīng)力積累需要一段時(shí)間,通常為許多年,且必然伴隨著巖石的變形與應(yīng)變。實(shí)驗(yàn)的理論研究表明,應(yīng)變率的變化是在破裂之前發(fā)生的,與地震前的應(yīng)變率變化一樣,其時(shí)空分布較難以捕捉。
傳統(tǒng)大地測(cè)量網(wǎng)和水準(zhǔn)網(wǎng)的復(fù)測(cè)一般為1年甚至幾年,GPS技術(shù)興起后,大大縮短了復(fù)測(cè)周期,其采樣率可提高到1分鐘甚至更高,但對(duì)于大面積的地殼形變監(jiān)測(cè)而言,一般復(fù)測(cè)周期都是比較長(zhǎng)的,而絕大多數(shù)地震只能記錄到幾分鐘。因此,在監(jiān)測(cè)地殼活動(dòng)方面,傳統(tǒng)的常規(guī)測(cè)量和地震學(xué)方法在時(shí)間尺度上還存在一個(gè)空擋。有效地溝通這個(gè)空擋是通過(guò)對(duì)個(gè)別地震危險(xiǎn)性的地殼增加大地測(cè)量的觀測(cè)次數(shù),布設(shè)全球性的長(zhǎng)周期、超長(zhǎng)周期地震儀臺(tái)網(wǎng)以及發(fā)展地球物理和大地測(cè)量?jī)x器來(lái)達(dá)到的。從理論上講,這對(duì)測(cè)量任何時(shí)間尺度的地殼形變都是可行的,而固體潮觀測(cè)則是監(jiān)測(cè)大地測(cè)量與地震學(xué)兩者之間的頻率空擋。因此,如何提升固體潮在這個(gè)頻率空擋中的監(jiān)測(cè)能力是值得重視的一個(gè)戰(zhàn)略任務(wù)。應(yīng)從以下幾個(gè)方面加以促進(jìn):
①目前,對(duì)我省現(xiàn)有固體潮觀測(cè)進(jìn)行重新審視,形成一個(gè)覆蓋我省地震重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)的固體潮監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。
②對(duì)現(xiàn)有固體潮觀測(cè)儀器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行摸底,儀器是否老化、精度是否降低、運(yùn)轉(zhuǎn)是否穩(wěn)定、儀器標(biāo)定以及外界干擾情況,進(jìn)行清理,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)校正。
③對(duì)近年來(lái)發(fā)生在臺(tái)灣海峽5級(jí)以上的地震以及我省及其附近大于3.0級(jí)地震進(jìn)行震例總結(jié),就固體潮在地震前后的振幅和相位畸變、變化速率以及潮汐因子變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,尋找震前異常特征。
④井水位尤其是承壓井水位是一個(gè)天然體應(yīng)變計(jì),可作為應(yīng)變固體潮體應(yīng)變觀測(cè)的一種補(bǔ)充。井水位的觀測(cè)井在我省分布遠(yuǎn)比體應(yīng)變要多,應(yīng)發(fā)揮井水位觀測(cè)面廣、點(diǎn)多的優(yōu)勢(shì)。
固體潮觀測(cè)判別異常及主要指標(biāo)一般應(yīng)從中期異常、短期異常與臨震異常特征著手。中期異常是指觀測(cè)值的速率變化、潮汐因子偏離正常值、地傾斜還會(huì)出現(xiàn)方向變化;短期異常反映在觀測(cè)曲線是否出現(xiàn)頻繁跳躍、潮汐因子不穩(wěn)定、潮汐因子均方差急劇增長(zhǎng);短臨異常因上述各類(lèi)短期異常愈發(fā)展且不平衡,曲線變化愈復(fù)雜。對(duì)這些異常要采用形態(tài)法、差分法、相關(guān)分析法來(lái)提煉與研究地震指標(biāo)。
地震預(yù)報(bào)是當(dāng)今世界性難題,目前還未攻克過(guò)關(guān)。中國(guó)地震局在上世紀(jì)80年代對(duì)固體潮觀測(cè)外界干擾異常進(jìn)行過(guò)清理攻關(guān),90年代進(jìn)行了實(shí)用化攻關(guān),提出過(guò)一些預(yù)報(bào)指標(biāo),但都是經(jīng)驗(yàn)性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,還未找到“必震前兆”背后的機(jī)理。但這些清理攻關(guān)與實(shí)用化攻關(guān)得到的某些統(tǒng)計(jì)結(jié)果,仍然值得我們認(rèn)真研究。在這些基礎(chǔ)上,結(jié)合我省震例情況進(jìn)行研究,這是一個(gè)漫長(zhǎng)的探索過(guò)程。
固體潮前兆的物理機(jī)制,涉及到什么是前兆和如何判別的問(wèn)題。對(duì)出現(xiàn)的前兆指標(biāo),首先要對(duì)觀測(cè)資料的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn),這與無(wú)震時(shí)期固體潮觀測(cè)曲線與其理論曲線是否一致有關(guān),在震前出現(xiàn)異常時(shí),需要排除外界干擾或人為干擾。即使如此,數(shù)據(jù)變化也不能肯定就是前兆指標(biāo),還要查看附近臺(tái)站的觀測(cè)是否出現(xiàn)了類(lèi)似的變化,同時(shí),不僅是觀測(cè)某臺(tái)站出現(xiàn)的變化,還要觀測(cè)附件其他臺(tái)站的變化。在測(cè)向觀測(cè)上,不僅只觀測(cè)某類(lèi)型固體潮的變化,而且要觀測(cè)是否其他類(lèi)型的固體潮也存在變化,最后還必須觀測(cè)面上呈現(xiàn)的群體變化。目前,地震前兆指標(biāo)遠(yuǎn)未定型,具有很強(qiáng)的主觀經(jīng)驗(yàn)色彩,帶有很大的隨意性。為此,尋找“必震前兆”指標(biāo)是我們努力探索的目標(biāo)。
觀測(cè)系統(tǒng)是人類(lèi)感覺(jué)器官的延伸,我們借助高精度的傾斜儀、重力儀、伸縮儀與固體地球進(jìn)行對(duì)話,進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了“深藏不露”的固體潮現(xiàn)象。原來(lái)固體地球也像海水一樣在天體起潮力作用下發(fā)生地面傾斜、重力與伸縮變化。地球科學(xué)是一門(mén)以觀測(cè)為基礎(chǔ)的科學(xué),觀測(cè)資料的真實(shí)性,直接決定了科研和應(yīng)用的成效,其理論源于觀測(cè),終于觀測(cè)。地震前,固體潮呈現(xiàn)的前兆異常是一種疊加在固體潮波形上的短臨信號(hào)。然而在工業(yè)化、信息化飛猛發(fā)展的今天,各種噪聲加上地球表面效應(yīng),嚴(yán)重干擾了固體潮觀測(cè)結(jié)果。從地面觀測(cè)資料中,很難識(shí)別混雜在噪聲背景下的真實(shí)固體潮信息,嚴(yán)重制約了地震科學(xué)的認(rèn)識(shí)和發(fā)展。從上世紀(jì)末到本世紀(jì)初,美國(guó)、日本、德國(guó)先后推出了深井固體潮觀測(cè)計(jì)劃。
深井觀測(cè)通常利用一口深井實(shí)現(xiàn)包括多分量應(yīng)變、傾斜、重力、溫度、地磁、測(cè)震等多種觀測(cè)手段的綜合觀測(cè)系統(tǒng)。目前日本已經(jīng)建設(shè)了多個(gè)深井地震綜合觀測(cè)系統(tǒng),最深的可達(dá)1030米,開(kāi)展了井下測(cè)震、鉆孔應(yīng)變、立體溫度、氣體、空隙壓等綜合連續(xù)觀測(cè)。該計(jì)劃的目的是建立形變觀察網(wǎng),既能充分覆蓋板塊邊緣地帶,了解長(zhǎng)期的構(gòu)造變化,又能以適當(dāng)密度的觀測(cè)點(diǎn),觀測(cè)局部現(xiàn)象。通過(guò)必要的帶寬還可以觀測(cè)到從孕育地震、慢地震到地震之間的應(yīng)變積累以及地震之后的粘彈性松弛的蠕變現(xiàn)象等。國(guó)內(nèi)也積極開(kāi)展了深井地震綜合觀測(cè)技術(shù)的研究,但是目前仍處于探索研究階段。例如中國(guó)地震局地殼應(yīng)力所研制了“RZB型地殼形變深井寬頻帶綜合觀測(cè)系統(tǒng)”,河南鶴壁市地震局研制了深井YRY4型鉆孔應(yīng)變多分量應(yīng)變儀。中國(guó)地質(zhì)科學(xué)研究所在西藏地區(qū)開(kāi)展了深井地震綜合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。中國(guó)地震局和科學(xué)院合作也開(kāi)展了井下光纖應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量的有關(guān)研究。珠海泰德公司研制了TBI-101/102型深井綜合觀測(cè)系統(tǒng),在廣州、深圳等地進(jìn)行測(cè)試,取得了較好的觀測(cè)數(shù)據(jù)。
我省于2011年在漳州地震臺(tái)打了一口深度253米的鉆孔,安裝了中國(guó)地震局應(yīng)力所的RZB型鉆孔應(yīng)變儀,其間儀器多次發(fā)生故障,至今已停測(cè)。相對(duì)于全國(guó)一些地區(qū),如北京、上海等地,我省深井綜合固體潮觀測(cè)還處于待開(kāi)發(fā)狀態(tài)。為了促進(jìn)我省地震固體潮學(xué)科的發(fā)展,我們必須引進(jìn)深井綜合固體潮觀測(cè)系統(tǒng),以先進(jìn)的觀測(cè)技術(shù)裝備臺(tái)站,迎頭趕上固體潮綜合觀測(cè)的浪潮。應(yīng)組織有關(guān)科技人員進(jìn)行相關(guān)工作的調(diào)研,在固體潮綜合觀測(cè)站點(diǎn)的布設(shè)方面也必須做好規(guī)劃,對(duì)綜合觀測(cè)系統(tǒng)的原理、性能及技術(shù)指標(biāo)作深入的了解,為日后奠定基礎(chǔ)。
引入深井固體潮綜合觀測(cè)系統(tǒng),一是利用傾斜、重力、應(yīng)變固體潮觀測(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘,以研究地殼介質(zhì)的特性變化;二是若有一種固體潮觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生異常,同時(shí)其他兩種觀測(cè)手段也有所反映,就可以提高前兆異常判斷的可靠性。這是從綜合角度考慮的,如要提高單項(xiàng)觀測(cè)的可靠性,就必須引進(jìn)冗余觀測(cè)。如地傾斜觀測(cè)是利用南北、東西兩個(gè)方向的地傾斜值確定地面傾斜值及其方向變化,如果某一方向的觀測(cè)值出現(xiàn)問(wèn)題,我們就無(wú)法對(duì)地面傾斜變化的可靠性做出判斷。若此時(shí),我們?cè)诘谌齻€(gè)方向也進(jìn)行地傾斜觀測(cè),這時(shí)我們就可以由這三個(gè)方向的觀測(cè)值組合得到三組地面傾斜及其方向變化數(shù)值,從理論上講,這三組觀測(cè)值應(yīng)該近似相等。這樣就提高了判別地傾斜前兆異常的可靠性。同樣,對(duì)地面應(yīng)變觀測(cè),若增加了第四個(gè)方向上的應(yīng)變觀測(cè),就可以得到五組主應(yīng)變及主方向的數(shù)值,從理論上講,這五組數(shù)值也應(yīng)該近似相等。如是提高了地應(yīng)變前兆識(shí)別的可靠性。因此,目前應(yīng)對(duì)現(xiàn)有固體潮觀測(cè)臺(tái)站如何引進(jìn)冗余觀測(cè)進(jìn)行研究做出規(guī)劃。
如何引進(jìn)深井固體潮綜合觀測(cè)系統(tǒng)以及冗余觀測(cè)都是屬于具體的技術(shù)層面的問(wèn)題,要做好調(diào)研規(guī)劃,為其日后恰當(dāng)時(shí)候和恰當(dāng)?shù)呐_(tái)站投入建設(shè)和安裝做好準(zhǔn)備。當(dāng)然,要做好這一點(diǎn),需要有充分的資金作后備,才能變成現(xiàn)實(shí)。一旦深井固體潮觀測(cè)綜合系統(tǒng)投入運(yùn)行并產(chǎn)生海量的觀測(cè)數(shù)據(jù),如何對(duì)這些綜合觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)以保證系統(tǒng)連續(xù)可靠的運(yùn)行,如何對(duì)其產(chǎn)生的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘,發(fā)現(xiàn)并歸納出地震前兆異常及異常指標(biāo),要做好這兩個(gè)方面的工作,就要從現(xiàn)在開(kāi)始著手培養(yǎng)固體潮學(xué)科人才。應(yīng)聯(lián)合制定人員培訓(xùn)計(jì)劃,使現(xiàn)有科技人員不但要掌握固體潮原理、數(shù)據(jù)處理、軟件設(shè)計(jì)方面的知識(shí),而且要熟悉掌握傾斜、重力、應(yīng)變固體潮觀測(cè)儀器的原理,反映觀測(cè)頻域的儀器的傳遞函數(shù),格值及其標(biāo)定、觀測(cè)精度等方面的儀器性能及其技術(shù)指標(biāo)等知識(shí)。地震預(yù)報(bào)是一項(xiàng)非常專(zhuān)業(yè)化的人類(lèi)科學(xué)實(shí)踐,沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的訓(xùn)練,沒(méi)有無(wú)法遏制的激情和持續(xù)專(zhuān)注的投入,沒(méi)有同行不留情面地理性論辯和批判,就不可能有地震預(yù)報(bào)的進(jìn)步和突破。因此,在人員培養(yǎng)方面,要提倡創(chuàng)新,并從制度上制定個(gè)人與團(tuán)體的創(chuàng)新激勵(lì)機(jī)制。在人員培訓(xùn)方面,還應(yīng)采取派出去、請(qǐng)進(jìn)來(lái),使科技人員了解國(guó)內(nèi)外固體潮觀測(cè)研究的最新進(jìn)展,跟蹤國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)。平時(shí)要鼓勵(lì)科技人員閱讀鉆研有關(guān)文獻(xiàn)并撰寫(xiě)論文,做到博采眾長(zhǎng),厚積薄發(fā),方能在觀測(cè)資料中尋找出地震前兆的蛛絲馬跡,進(jìn)而有所發(fā)現(xiàn)。相對(duì)于觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè),人才隊(duì)伍的培訓(xùn)與建設(shè)也是我省固體潮學(xué)科發(fā)展的關(guān)鍵因素。
[1] Melchior P.The Tides of the planet Earth[M]. Translated by Du Pinren,Wu Qingpeng,Chen Yihui,et al, Beijing:Science Press, 1984,45~247(In Chinese)
[2] 北京大學(xué)地球物理系,武漢測(cè)繪學(xué)院大地測(cè)量系,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球物理教研室主編,重力與固體潮教程[M]. 北京:地震出版社,1982.
[3] 方俊. 固體潮[M]. 北京:科學(xué)出版社,1982.
[4] Vanicek P, Krakiwsky E.Geodesy : The concepts[M].Amsterdam.New Youk, oxford, etc: North-holland Elevier science Pubishing company, lnc:37-600.
[5] (美)地殼運(yùn)動(dòng)測(cè)量委員會(huì),構(gòu)造形變測(cè)量[M]. 劉序儼,鄒其嘉,陳鑫連校,北京:地震出版社,1984.
[6] 牛濱華,孫春巖.固體彈性介質(zhì)與地震波傳播[M]. 北京:地質(zhì)出版社, 2005.
[7] 池順良. 深井寬頻鉆孔應(yīng)變地震儀與高頻地震學(xué)——地震預(yù)測(cè)觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向,實(shí)現(xiàn)地震預(yù)報(bào)的希望[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展,2007,22(4):1164-1170.
[8] 歐陽(yáng)祖熙. RZB-1型電容器式地應(yīng)變計(jì)[A]//第一屆全國(guó)地應(yīng)力會(huì)議論文選編[C],北京:地震出版社,1977: 337-348.
[9] 歐陽(yáng)祖熙. 地殼形變深井綜合觀測(cè)技術(shù)的新進(jìn)展[J]. 國(guó)際地震動(dòng)態(tài),2009(11):1-13.
[10] 李海亮,李宏. 鉆孔應(yīng)變觀測(cè)現(xiàn)狀與展望[J]. 地質(zhì)學(xué)報(bào),2010,84(6):895-900.
[11] 陳群策,李宏,廖椿庭, 等. 地應(yīng)力測(cè)量與監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 地球?qū)W報(bào),2011,32(supp.I):113-124.
[12] J.S.Johston, R.D.Borcherdt,A.T.Linde, M.T.Gladwin. Continuous Borehole Strain and pore pressure in the Near Field of the 28 September 2004 M 6.0 parkfield, California,Earthquake, lmplications of Nucleation,Fault Response, Earthquake Prediction and Tremor[J]. Bulletion of the Seismological society of America,2006,96(4B),556-572.
[13] 劉序儼, 楊軍. 地殼形變分析預(yù)報(bào)方法[M]. 北京: 地震出版社,1998.
課題組成員:
1.劉序儼,福建省地震局,研究員。
2.王林,福建省地震學(xué)會(huì),工程師。
3.王紫燕,福建省地震局,工程師。
4.鄭小菁,福建省地震學(xué)會(huì),高級(jí)工程師。