地震前兆的流体动力学理论研究——献给汶川地震八周年

文/曾雄飞 曾燕



地震前兆的流体动力学理论研究
——献给汶川地震八周年

文/曾雄飞 曾燕

0　引言

笔者在5.12汶川8级地震后，开始投入地震基础理论研究。我国地震学家钱复业、赵玉林，发现了地震前兆潮汐波的谐振-共振波，并同赵璧如等人发明了PS-100地电仪，在中国地震局的支持下建立了相应的监测站，2004年开始运作。通过监测数据，钱复业团队发现有快波和慢波，它们到达监测站的波时差，决定震中距，共振波周期决定震级。这是地震理论和实践的重大突破。

笔者的“八年抗震”，主要目标就是探索以物理力学为基础的地震机理，以及建立在物理定律基础上的地震预测预报方法。经过八年的艰苦奋斗，终于建立了地震结构爆裂动力学理论、地震前兆的流体动力学理论，揭示了潮汐波和地磁的异常扰动主要同地震前兆活动相关，以及地震预测预报的方法——共振胞（包）W/M脸谱法。

1　流体动力学理论

1.1 地震结构爆裂动力学概要

笔者自2008年6月开始探索地震理论，先后形成四篇论文，于2010年，由广东科技杂志社结集出版《地震结构爆裂动力学理论》。随后又写就《ON EARTHQUAKE MECHANANISM AND SHORT-TE RM AND IMPENDING PREDICTION》《论地震机理与地震预报》《地震共振包（RC）与短临预报》，先后参加德国、中俄和俄中学术研讨会。2014年底，惠州市三宝生物化学科技有限公司，开始筹建惠州地震前兆监察站，2015年春节后，引进PS-100地电仪，并按照地震结构爆裂动力学理论要求，进行了改进。这一先进的地震前兆监测站已经运作了将近一年，取得了一批珍贵的地震前兆信息，证明上述理论是正确的，并为深化地震前兆理论提供了实验基础。

这里只介绍该理论所涉及的几个重要概念。

地震结构包体。它是地震能的储体，下方是壳幔包体，主要地向地震结构体供能，以及供能通道；上方是覆盖岩层，以及地震进入触发阶段后，形成地震能释放的通道（爆炸烟囱）。图1是地震结构体系统的示意图。

图1　地震结构体系统示意图

地震爆发的力学条件。地震的爆发需要满足力学条件，这就是地震结构体内的压力必须超过上覆岩层的断裂强度和重力之和。达至这个条件是地震进入触发阶段的标志。

共振胞（包）和爆炸烟囱。当地震结构体达到上述力学条件时，只要有附加作用力，就会引起上覆岩层的破裂，或是旧裂纹扩大，这个过程是加载波和卸载波的作用过程，它们的叠加，便是共振波的形成过程，并形成共振胞（包）。地震要素都集中在共振胞（包）里：震中，震级，爆发时间以及地震前的预警信息等。图2是2016-03-02印尼7.8级地震共振胞（包）成长图。

图2　2016-03-02印尼7.8级地震共振包（胞）成长图

图2说明，共振波2月24日开始形成，按照黄金周规则，即3月2日该地震将爆发。爆炸烟囱是地震能的释放通道，2月27日开始出现，28日至3月1日愈来愈接近地表，至3月2日达到峰值，达峰时间为03-02-09∶41∶18，即9.688h。

印尼苏门答腊地震于 03-02-12∶49∶48，即12.830h爆发，距离爆炸烟囱达峰时间3.142h。这是地震震前的预警时间。

爆炸烟囱的成长：QZ-2地电仪记录到了，地磁仪也记录到，并给出令人无比惊叹的高频共振波，预示着地震的爆发。

1.2流体动力学概要

我国科学家很早注意到地磁与地震的关系，并借以预报地震。2015年10月，笔者发现，地球的地磁扰动同地震前兆活动密切相关性，可以应用地震结构爆裂动力学理论进行研究。地震结构体十分巨大，无论是壳幔包体向地震包体输送能量，或是地震包体接受到高能流作用发生破裂，物理量都将发生突跃，形成间断面。图3给出了QZ-2记录到的2015-06-29至2015-07--25，地电阻率-时间波图，地电阻率发生突跳，形成间断面，反映地震结构体内冲击波的形成，并向周围的介质传播。

图3　典型的地电阻率突跳（2015-06-29至2015-07-25）

求解一般的流体动力学方程非常难，冲击波方程就更难了。我们借鉴炸药爆炸转化过程爆轰波的研究成果，在压力项中加进磁压，使之适用于磁流体的运动。笔者长期在这个领域进行理论研究，并找到了分析解。地震爆裂依靠包体内储存的巨大的物质能流，供能的稳定性超过化学供能。因此用此方法研究地震前兆波，比研究爆轰波，有更好的条件。如何找到冲击波波动方程的稳定解，可参汶川地震八周年学术研讨会文集（《格物》）。

2016-01-24-10∶30∶30在阿拉斯加（59.658N/153.452W）爆发了7.1级地震。这个地震已经被预测到。图4和图5是中国漠河台和美国BRW台典型的地磁前兆波图。

图4　中科院MH台2016-01-23磁强-时间图

图5　美国BRW台2016-01-23磁强-时间图

通过对中国、美国和澳大利亚的28个台站所记录到的地磁资料，找到了震中距同快慢波时差的关系（见图6），也求得了快慢波的传播速度：快波速度——9368km/h；慢波速度——3964km/h。这比潮汐波共振波对应的波速快得多。

图6　阿拉斯加地震的震中源图

地震震级：求得共振周期2.035h，计算出震级7.157级。本方法预测时，定为7.2级。另有一个帮助预测的条件，2016-01-20，邻近的三个台站，出现高磁场强度：BRW（H），1078NT；DED（H），898.2NT；CMO （H），1295NT。因此判定阿拉斯加地震一定会如期爆发。

2　地震预测

利用潮汐波的地震前兆预测预报地震，我们已进行过详细研究。这里介绍地磁前兆波预测地震的方法。共振周期决定震级，共振胞成长决定发震时间，同于潮汐共振波预测方法，不作介绍。这里讨论最难的问题，震中如何确定。

地震预测首先需要确定异常扰动信号的归属问题。确定归属有六种基本方法：

（1）判识扰动信号的脸谱，也就是W/M的基本构型（波形），前震有助于协助判识。

（2）读取（找到）该特征波的快波到达各个监测站的时间（tk），如果接近相等，便初步确定这一扰动的波源；时间愈是接近的范围，便是震区的范围。

（3）计算磁场强度，划分震区范围，震中一般处于磁强高的区位。

（4）观察脸谱的相位，正相和反相，震中一般位于正反相之间的经线或是纬线之间。

（5）利用其它监测手段，如卫星红外，应力应变等综合评估。

（6）读取快波和慢波到达各个站的时间差（波时差Δt），由此计算出发出扰动的波源（震中）到该站的距离（震中距ΔX），制作出汇图，震前约一天（共振胞达尖，出现高频共振波），此时的波时差最为准确。这时，可以比较准确地确定震中了。

按照W/M脸谱技术，2016-02-12对新西兰将要发生的地震进行了预测：震级6.4；震中-46.5/163；爆发时间初七至初九。预测的新西兰震中位置，见汇图7。

新西兰地震于2016-02-15（初八）爆发，震级6.2，震中-49.1/164.5。预测同实际很接近。据震前6.843h的共振胞图计算，震级应为6.295级。看来，地震前一天，震中位置已经完全确定，各要素计算，更加接近实际情况。

图7　新西兰地震预测的震中汇图

地震前兆流体动力学理论建立后，形成了W/M脸谱技术，几乎每天都在预测地震，绝大部分获得了证实。波时差序列与震中距序列可以将系列的地震预测纳入其中。由于计算的工作量太大，发展电算是必然趋势，地震预测就将快得多。地震的震前预警也将成为可能。

3　结论

在地震结构爆裂动力学理论和环太平洋32个地震前兆监测站提供的监测资料的基础上，建立了地震前兆的流体动力学理论以及地震预测的W/M脸谱技术，人类开始进入地震预测预报的新时代。

致谢

笔者对以下单位和网站提供的实时地磁图（资料）表示最为深切的感谢，他们的地磁台共计28个，包围了环太平洋，为笔者研究地震前兆理论提供了巨大的实验支持：

中国科学院地质与地球物理所-空间电磁环境研究室IGGCAS@2006；

美国http://geomag.usgs.gov/plots/；

澳大利亚geomag@ga.gov.au。

作者简介：曾雄飞（1938-），男，研究员，1963年北大6年制本科，任职于惠州市三宝生物化学科技有限公司，从事原子构造、宇宙起源、生命生物、营养医学、地震等基础理论以及它们的应用研究工作；曾燕（1977-），女，助理工程师，本科，任职于惠州市三宝生物化学科技有限公司，从事生物技术、新产品研发、地震监测和预测研究工作。