地震能够应力预测＊

地震能够应力预测＊

Crampin Stuart1，2）Gao Yuan3）
1）British Geological Survey，Edinburgh EH9 3LA，Scotland UK.
2）School of GeoSciences，University of Edinburgh，Edinburgh EH9 3JW Scotland，UK
3）Institute of Earthquake Science，CEA，100036Beijing，China

1997年Geller等人曾发表“地震不能预报”，因为在自组织临界系统中尺度不变性是普遍存在的，而地球正处于自组织临界状态中，在这种状态下小地震具有某种概率，如瀑布般触发大的地震事件。但是在物理上，只有对应其地震震级的应力能量得到有效释放，才能有大地震的发生。利用对这种应力的依赖性可以进行地震预测，方法就是利用剪切波分裂来监控即将发生地震的周围岩体的应力积累。这项技术可以说是成功的，但是由于假定的不可预报性，所以需要清晰的论证才能被普遍接受。雪崩也是自组织临界现象。近期通过二维球形素珠堆进行的雪崩实验观测表明，具有自组织临界性的自然物理现象是能够预报的，如雪崩、地震等。预报地震和雪崩的关键是监控母体介质，而不是即将发震的震源区。

自组织；地震动力学；地震相互作用；预测与预报；地震各向异性；波的传播；动力学；地震构造

引言

地球物理学长期以来都假设地震的本性是不可预报的［1－2］。作为这种假设的结果，虽然这种方法——利用剪切波分裂（地震双折射）来监测由微裂隙的变化引起的应力积累，从而达到“应力预测”地震的目的——显然是成功的［3－4］，但仍充满争议且难以被接受。该技术利用剪切波分裂监测应力诱发的微裂隙的变化，并估计破裂临界性（和地震）的逼近［56］，该技术的结果距即发震源区可能有一定的距离。

有关雪崩的新的实验证据确认［7］，具有自组织临界性（SOC）的系统可以通过监测远离即发源区母体岩石的整体行为来进行预报。实验显示雪崩和地震之前在整体特性上有很强的相似性，因此确定地震也可以预报或应力预测。

1 雪崩预报

砂堆（或素珠）雪崩是自组织临界性的一个典型范例［8］。Ramos等人［7］论述了雪崩实验室测量方法，把二维球形钢制素珠堆（～3 300）放入两块相互平行且垂直于地面的玻璃板之间，然后连续地往素珠堆中部一个一个地加入素珠。随着素珠的一个个落下，对照片上素珠堆中每一个素珠的位置进行分析。雪崩规模（发生移动的素珠数量）和累计雪崩次数的对数函数的线性化证实了雪崩具有自组织临界性。Ramos等人的分析是基于变化堆的规模和系统的平均区域扰动，这种扰动可以用“形状因子”ζ来测量，对于二维结构可以表示为：

其中，A是素珠周长，B是围绕每一个素珠的Voronoi Cells面积［9］。低值ζ对应素珠堆有序紧凑地排列，最小值为ζ＝1.08，代表六角形Voronoi Cell。

Ramos等人［7］给出了随时间变化的时间相关函数C在大雪崩（100～1 000个素珠）发生前后素珠堆规模所对应的时间序列（图1）。该函数图像描述了整个发生过程：素珠规模先是逐渐地递增到峰值，然后开始减少，50个素珠之后大雪崩突然发生致使素珠堆规模瞬间减少。这50个点的延迟就可解释为前兆过程。

图1b表示的是平均形状因子ζ的时间相关函数。刚开始扰动逐渐增加，当与堆规模峰值相对应时，变为迅速增长直至顶峰（50个素珠下落中），然后大规模雪崩发生，扰动瞬间降低。

图1 雪崩和素珠堆基体的时间相关函数C。（a）大雪崩和素珠堆大小之间的相关。（b）大雪崩和平均形状因子ζ之间的相关（改自Ramos［7］）

通过对图1的分析，Ramos等人［7］对“大”雪崩进行预报的准确率为62±4%（对于随机过程，这种预报准确率为50%）。他们认为，这种“不太引人关注的百分数”还是很重要的，因为它证实了通过对“大雪崩和系统中总体结构变量（即基体材料的性质）的相关”，在自组织临界状态下的一些现象“可能达到某种程度的可预报性”。有关雪崩的这些实验室实验是非常重要的，因为它们说明在自组织临界下的现象能表现出一些前兆现象并且被预报到。

2 应力预测地震

对流体－岩石形变的新认识是，对于几乎能普遍观测到的在应力场中排列的地震剪切波分裂现象，都说明了地壳内几乎所有的原地岩石中普遍存在着大量按应力定向排列的充满流体的微裂隙［10－13，6］。这些微裂隙是岩石中最柔性元素，观察到的剪切波分裂程度表明，微裂隙紧密排列（由于断裂或者地震）接近失稳，从而成为临界系统。这种临界系统给传统的亚临界地球物理学理论增添了新的内容［10－13，5］。这种临界性的影响之一就是在变化着的环境中微裂纹岩石的演化可以用APE理论（anisotropic poro－elasticity）模拟出来［13］。当破裂大范围存在，失去抗剪能力时，任何一点扰动都会引发断裂和地震，这种破裂水平就被称为破裂临界。根据APE理论，在自由表面，在与应力相关的特定方向上，可以利用剪切波时间延迟的变化来监控应力积累的演化［10－15］。

图2为4次地震事件前后剪切波的时间延迟变化［14］：（1）M＝6，1986，美国加州北棕榈泉地震（North Palm Spring，California）；（2）M＝5.9/5.3，2001，中国云南省地震（左边发生M＝5.9地震前是增加的；右边发生M＝5.3地震前是降低的）；（3）M＝5，1998，冰岛西南部地震（此处根据应力成功预报出地震）；（4）M＝3.5，1982，阿肯色州埃诺拉震群。利用小震群的剪切波路径来测量归一化时间延迟的变化。

图2显示了两种类型的变化［4］。

图2 地震前归一化时间延迟的变化。左边：增加的时间延迟的最小二乘拟合（5年、3年、6个月和6天分别归一化至相同长度）。右边：把左图中虚线方格内的时标扩大，对应降低的时间延迟的最小二乘拟合（修改自文献［14］）

（1）左图，在一定时间范围内归一化时间延迟的增长可以解释（模拟）为，随着构造板块边界应变的增加相应应力的积累。起先，应力的增加广泛存在于毗邻的板块中，与潜在的断层没有联系。但是，地壳是处于高度不均匀状态的。如果应力在小体积的岩石块中积累，随着应力的积累而引发小地震；如果在大体积的岩石中应力增加，其积累的速度是缓慢的但会引发大地震。所以，图2左图中归一化后的图像趋势是相似的，它们持续时间对数的直线性变化与即将发生的地震震级大小一致。按通常的观点，这些增加并不是地震前兆，因为还没有识别到即将发生的地震断层面。

（2）右图，在一定时间范围内归一化延迟的降低就是应力能量释放的过程，随着应力场能量的减弱，微裂隙集结成即发的断层面。同样地，图2中右边的各个图像也具有相似性，而且震级的大小与持续时间对数的大小一致。右图中应力能量释放的过程就可看为地震前兆，因为此时的微裂隙正在集结成断层面。

应力积累的变化在世界范围内的14次地震事件中（M＝1.7～7.7）都曾被观测到（其中9次还出现应力能量释放）［4，6］。在冰岛南部的一次地震事件中，应力变化被提前观测到，由此地震发生的时间、震级（M＝5）和断层面都被成功地及时预测出来了［3－4］。

地震震级是释放能量大小的对数函数，对数数量之间的自相似性是自组织临界系统的特征［15］。普遍认为具有自组织临界性的现象，如雪崩和地震等是不可预报的，因为在任何时刻，小的事件都可能触发成大的不可预知的事件［1－2，8］，这就把雪崩的低水平可预报性明确地否定掉了［7］。

3 地震和雪崩的相似性

我们可以看出，图2中地震前时间延迟的升高和降低与图1中雪崩前相关函数的升高和降低是相似的。Crampin等人［16］对图2进行了解释：左边图像中时间延迟的增加过程对应着图1a中素珠堆规模逐渐增加至顶峰的过程（和图1b中扰动的增加过程）；同样，右图中时间延迟的降低对应着图1a中持续约50个时间点的素珠堆规模的降低过程（和图1b中扰动的加速增加）。

这种相似性有助于对这两种预测（应力预测地震和素珠堆预测雪崩）进行解释。图2左图中应力积累接近破裂临界时，增加会立刻停止，时间延迟开始下降（图2右图）。在记录站记录下来的发生在邻近较大地震前的小地震事件群中，这种时间延迟的增加和降低可以观测到［14］。这些降低不能被模拟，因为对震源信息的了解不够充分，但是随着微裂隙连结成最终的断层面，这可以理解为应力释放。

我们并不奇怪，若系统各个部分内部结构都已知，就可以用特定的模型替代，例如简单的二维几何素珠堆，这样，每一个素珠的掉落都可以被预报到（即使只比随机序列的成功率多12±4%）。图2中时间延迟的增减在物理上可理解为应力积累和裂缝的结合，由此说明图1中素珠堆的变化和扰动也有一个相应的物理解释。这很可能与素珠之间空隙的各向异性变化有关，证明可参考Ramos等［7］中的图3。

4 讨论

有人曾问过一个基础性问题：具有自组织临界性的介质特性的可预报性有多少？“真实的”自组织临界系统是不可预报的吗？

Bak等人［17］利用随机数据模拟自组织临界性，这些数据的尺度不变性是隐含的，故所有部分断裂的可能性是一样的。从而就没有可预报的前兆现象，这说明了介质的重要性。同时也说明对（天然的）地震和（素珠堆）雪崩的预报离不开介质。图1和图2的相似性确认了地震可以进行应力预测。

我们推测，所有具有自组织临界性的真实的物理系统，与随机数据组成的人工构造不同，在适当的环境下会出现一些前兆现象。

5 结论

分析已经显示［4，7］，至少在某种情形下自组织临界现象能够被预测出来，由此，那种对根据应力预报地震的技术［3－4］持批评态度的观点显然是不正确的。

译自：Geophysical Journal International，2010，180：1 124－－1 127，doi：10.1111/j.1365－246X.2009.04475.x

原题：Earthquakes can be stress－forecast

（中国地震局地震预测研究所 王 琼 译；高原校。译者电子信箱，王 琼：sunny－wangqiong＠163.com）

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A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2010.07.007

2010－04－06。