我国地震短期前兆特征和预测方法概述

2020-03-09罗健

甘肃科技 2020年22期

罗健

（甘肃省核地质二一九大队，甘肃天水741000）

受地理位置限制，中国地震频发，是全球大陆地震发生最频繁、地震灾害最严重的国家之一。时至今日，地震预报仍然是全球性的科学难题。李四光认为，地震的发生是有前兆的，是可以预报的[1]，如震前云、地电、地声、地下水、热红外、生物活动、温度等异常变化为地震预报提供了一定的科学依据，由于地震发生的偶然性，加之人类对其认识的局限性，因此临震前兆工作仍然是地震预测预报领域不断探究的课题[2-4]。

重大地震发生前一般都伴随各种前兆特征，常见的地震前兆现象主要包括三方面，如地震台和地震仪器记录、地面上产生的某种异常现象、由产生地震的前兆模式所预期的可能前兆。本文选取一些国内常见的最新的且能科学预测地震的方法加以简述。

2 常见的震前预报方法

2.1 地电异常

地电异常变化是地震预报监测中较为科学的方法之一。地震监测预报成果案例表明，地电阻率异常的判定以正常值为基线，当地电阻率的月均值、五日均值、日均值与正常值相比，相对变化的偏离幅度大于1.5%，且超过正常值时段偏差3倍时，判定为地电异常。正常值的确定是选取地电阻率月均值波动最大幅度（最大值与最小值之差对其均值之比）小于1.5%的连续无震时段的地电阻率平均值[1]。

地电异常主要表象特征为电阻率异常上升或异常下降，燕明芝[5]等对甘肃周边5级及以上地震的临震地电异常研究发现，地电异常应震范围为67～360km，电阻率异常异常出现时间至地震发生时间间隔为 20～210d。

在用地电阻率预测地震时，要尽量避开、排除或有效地抑制一些干扰因素。研究表明，有利于低电阻率观测的条件是：地下介质电性结构中没有浅部高阻屏蔽层，能够供电电流大部分流向勘探范围内的深部地壳介质；第四系覆盖层厚度不能太大且其下伏岩性主要以黏性土为主；地下水动态变化幅度越小越好；地电监测周侧无电的干扰源；测区内无地表灌水；监测一定范围内无金属埋设；测区内无抽水机井等。一般而论，加大勘探深度（不小于300m），可将季节性干扰压低到2%以下。

2.2 地声异常

地声异常特征是判断地震前兆的重要方法之一。地声是由地壳介质的破裂而引发的,地震活动在其孕育和发生过程中常伴随着明显的地声异常。

在地震孕育发生过程中，地壳深部的岩体承受压应力随着临震时间的渐进而逐步增大。当岩体内压应力超过一定临界值后,岩体内裂纹发生扩展并产生新的裂纹，大范围的岩体内还会产生局部范围的岩体先前断裂破坏。岩体局部断裂和裂纹的产生和扩展会产生声发射现象。通过对岩体声发射的强度和频度的专业研究,把握岩体声发射与地震产生过程的相关关系，从而确定地震活跃区域,并对活跃区域加密布设声发射监测点，通过对监测数据的分析对比,为地震的短期临震及临震预报提供科学依据。

2.3 地下水异常

地下水是地壳中十分活跃的组成部分，震前地下水异常是我国地震史料中记录最多也最早的异常现象。大震前震中范围内不少井水水位发生明显宏观和微观异常现象，如微量元素变化（如亲岩元素锂上升）、放射性元素变化（如铀、镭、氡等富集）、味道变化、色度异常、冒泡等现象。多年观测表明，每一次大震甚至中强震以前都有不同程度的地下水异常出现[6]。

2.3.1 震前地下水位变化特征与地震

苗菊玲等对北杜井水位异常变化研究发现，水位异常与地震发生间的关系为：“上升—下降—地震”[6]；曹新来等对华北地区几次强震前地下水位的趋势变化研究发现，临震前地下水异常变化多表现为“加速下降—转折—地震发生”的模式[7]。

震前水位常出现持续急剧下降、上升等突变现象是地下水位异常的重要特征之一，如1984年1月6日，甘肃天祝县旦马地震，震前井水出现下降现象。天祝县西大滩乡马场台学校的井水观测记录显示，1983年8月下旬该井水位出现下降现象,至同年9月5日,观测井下水深仅有0.2m,水位降幅达87.5%。

另外，震前干涸水井、泉水突然出水也是地下水位异常的重要特征之一。根据记录显示，震前旦马草原上有一泉眼（干涸达七、八年），在1983年7月中旬以来,泉水流量急剧增大,并形成一股碗口粗的自喷水柱[8]，在1984年1月6日甘肃天祝旦马发生5.6级地震。

2.3.2 地下水异常集中分布区域、异常时间与地震

刘长才等学者研究表明，地下水出现宏观异常与地震活动有紧密联系，且二者异常变化均集中在活动断裂带上[7]。研究发现，凡地下水异常在空间上形成规律，并且和已知的构造带相一致时，应重视这些构造带的相关部位可能是未来地震的震中区。通常情况下，异常数量多、密度大的区域易成为震中发生区。

震前地下水变化也有时间上的异常反应，异常开始出现的超前地震的平均天数是49d，而异常突变和转折时间超前地震的平均天数为12.7d；脉冲—震荡型、自流—喷涌型以及下降型异常往往是临震的重要信号；异常变化速率的急剧增加，幅度的增大是临震的重要标志[1]。

2.3.3 地下水范围异常与震级大小

研究显示，震级大小通常与地下水异常范围有关，如5、6级地震，地下水异常范围在300km内；6、7级地震，地下水异常范围达到600km；7级以上地震地下水异常范围达到1000km。大震前地下水常出现喷涌等剧烈异常变化，而在中强震前较为少见。另外，7级以上大地震常存在数年的连续趋势异常,6、7级地震有1年左右趋势异常，6级以下往往无趋势异常。震级越大，震前出现的异常井、泉点越多。特别注意的是，区域性的异常时空转移是7级以上大地震的标志，这种转移现象在7级以下地震则较为少见。

2.4 震前动植物行为异常

强地震前的动物异常是一种经常出现的临震前兆现象，它们在一场类型、时-空分布及与震级的关系等方面具有一定的特点。

2.4.1 震前常见动植物行为的异常特征

20世纪70年代中国科学院动物所做的调查表明，有58种动物在震前的异常行为反应与地震相关。另外，研究还发现，震前穴居动物（如蛇、老鼠等）比地面上的动物更灵敏，小型动物比大牲畜的临震感觉更灵敏[9-10]。

通过对蜥蜴和蛇对比研究发现, 蜥蜴具有超强的超声波听力，其范围可达到100千赫，而蛇具有较强的低音波振动接受能力。由于特殊的神经系统，蜥蜴对电磁场和地磁的震前反应都异常敏感[9]，临震前,蜥蜴常离开洞穴。据古籍记载，公元前221年黄河中游大地震前出现 “龙生于庙, 犬哭于市”现象[9～10]。记载显示，唐山地震前两天, 唐山附近一养鱼池周围出现数百条蛇集结在一起的现象[10]。

李均之发现，虎皮鹦鹉的跳动异常与地震相关，具有临震效应，可以反映出较大地震的发生,预测距离可达上千公里,虎皮鹦鹉的异常跳动越频繁,震级越大,局限是不能预测临震地点。

大多植物对地震前的电流、电磁波异常异常敏感。据载，唐山地震前,震区出现柳枝枯死,竹子开花,果树结了果实后再次开花等异常现象；1975年2月4日，辽宁海城7.3级地震震前两个月,震区出现杏树开花现象；1970年12月3日宁夏西吉县5.5级地震前的一个月,距离震中66km的隆德县,出现蒲公英开花现象。

2.4.2 震前动物行为异常的时间特征

通常在地震前一天内，动物出现不规律的行为异常。根据对1976年唐山地震和辽宁海域地震观测发现，动物行为异常在震前一天内达到最大值。研究发现，震前各种动物异常出现时间具有明显的相对集中性，且主要集中在震前前一天。而震前一天内的动物异常反应频度更多集中分布在震前11h内，动物行为异常的平均时间约为2.7h[1]。

2.4.3 动物行为异常的地区分布

震前动物行为异常的地区分布不是均匀的。动物行为异常分布地点与未来地震的发生区的构造以及有关活断层的走向、交叉、拐点和端点有关，动物行为异常的地区分布与未来地震的极震区或高烈度区有一定的关系。1976年唐山地震约有70%的动物异常分布在烈度为7度以上的地区，震中区和有关断层附近及其交叉地区分布更为密集。

2.4.4 震前动物行为异常与震级

动物行为异常反应与地震震级较为相关。根据观察发现，3级左右的地震发生前，有少量动物会出现异常反应；5级左右的地震发生前，常见动物可出现较为明显的异常；7级左右的地震发生前，在较大范围内，多种动物会出现大量行为异常的反应[9～10]。

由于动物某些器官的灵敏性，在地震前觉察到某些地球物理和化学因素的异常变化，并出现异常行为反应。但是，在判别动物行为异常的时候，必须要辨别真假，因为有些动物异常与外界环境、自身生理变化有关等。

2.5 断层及其逸出气体CO2的震前异常

断层是构造运动最为敏感的部位，断层形变是地壳应力场改变最直观、最显著的表现方式，在断层带上布置地应力的观测线、观测点或者观测网，可以监测断层带上的地应力异常变化。观测分析断层带上的异常变化,是进行地学研究及地震预测临震预报的有效途径之一[11]。

2.5.1 断层活动性与强震发生的关系

区域断层活动性增强是判断强震发生的重要标志之一,研究认为，断层活动增强与地震活动的发生具有准同步性。震前区域断层活动的加剧首先出现在震中区的外围,近震中区断层活动异常加剧出现在接近发震的时间段内。因此，加强对构造块体周边断层活动的动态分析,对判定强震的发生危险地段很大帮助。

2.5.2 断层逸出气体CO2的震前兆异常

殷世林对苏州市太仓-福山近几年有感小震前断层逸出气CO2观测到的前兆异常分析发现，异常时间提前量有感小震的前兆异常时间提前量在半个月之内,以10d左右为多，且异常幅度多在正常值的2倍左右[12]。

许多震例表明不论是中强地震还是有感小震,其发震时间均在CO2逸出气异常的峰值过后,并且接近正常值时发震。其次，未来震级的大小,可根据异常的幅度来分析、判定[12]。

2.6 热红外异常

利用卫星热红外异常作地展临展预报,是我国首创的、大有发展前途的新方法[13]。我国自1989年10月利用卫星红外异常进行地震试报实践以来,已成功的预报的很多地震实例[14]。

邓志辉等在2000年运用卫星红外异常对云南姚安地震（Ms6.5）、青海地震（Ms6.6）、甘肃景泰地震（Ms6.2）研究表明，地质构造带，特别是活动断裂带，常出现卫星红外异常。红外温度的相对高值异常的边缘或附近常常是地震震中发生区,且红外异常的发展具有非对称性,异常一般都是从震中附近的某一侧向震中区扩展[15]。

四川汶川地震（Ms8.0）发生前,出现了卫星热红外异常现象。魏乐军等对2008年2月22日至5月12日遥感图像的解译、分析,在地震前55d的2008年03月18日,出现了卫星热红外增温的异常现象。至5月12日地震发生时,期间共有5次大规模的孤立增温异常序列,每次持续时间2～13d不等,增温幅度及异常区面积也有所不同。该现象进一步证实，在地震前（特别是≥Ms5.0级的地震）,出现热红外异常现象，可作为地震临震前兆[13]。

强祖基等对1996年2月3日云南丽江地震（Ms7.0）研究发现，地震发生前几天的震中区卫星热红外图像呈现圆形分布,其北北西、北西、南北及北东向的热旋扭面往南收敛。通过对菲律宾萨马岛强震群（Ms7.0～7.5）及青海共和地震（Ms7.0）研究发现，震前卫星热红外图像的热应力的推进路径呈环椭圆状[16]。

2.7 云异常

古人通过云异常预测地震成功的案例也较多，据载（隆德县编年史），1622年固原7级大地震是根据地震云异常预测的。日本7.8级地震也是通过地震云异常预报的。由于云异常受外界环境敏感，通过地震云异常预测地震的争议较大[17]。

寿仲浩、王斌等利用地震云异常曾成功预报地震，该理论认为，应力使地壳摩擦、运动、破裂，从而产生大量热量，使地下水变为蒸汽，沿着裂隙喷射上升至地表冷凝成云。这种溢出地面的水蒸气冷却成云后在震中及附近区域集中分布，这种云与其他云相对，有明显的的异常特征。另外，杜乐天的云异常理论是，地球内部存在大量高压气体（CO2、H2、CH4等），溢出地表后使地面增温，随着地面热流上升，造成云层顶托变薄，形成云异常现象。该理论在台湾东洋面6.0级地震（2004年1月26日）等地震活动中得到了印证。

寿仲浩通过多年观测，通过对地震云出现时间和地震发生时间得出以下结论：从地震云出现到地震发生的最长时间为103d，平均时间为30d。另外，地震云的尾部指向多是地震震中区，但应用地震云尾部来判断震中存在很大的不确定性，因为地震云的飘移受风向、风速等外界因素影响较大。

王斌等对地震云的观测发现，地震前地震云出现异常的时间一般在震前几个月内分布较多，但是，仅在地震发生的地方，地震云出现反复出现的现象。另外，地震云判断震级时，影响震级大小的主要为云团面积大小、云团存在时间周期，且震级大小与二者呈正比关系。

2.8 温度异常

利用卫星遥感技术监测大气升温现象进行地震短临震预报在我国取得了一定的科学成果。

李勇[18]等研究研究成果表明，地震发生前，特别是大地震前，在震区活震中附近区域气温有明显的升温现象，这主要是因为地壳运动使得地球内部的高温沿着地壳的裂缝向地表传递。另外，随着地震爆发时间的接近，地壳裂缝一般沿着震中区域扩展，从而引起地壳内部温度向地面传递的区域移向震中及附近区域，通过这种区域扩展异常来判断未来地震爆发区。

李勇等对汶川地震发震时间段温度研究认为，判断震级的因素有异常温度的最高值、发生最高温度区域面积、背景温度值，其之间存在的线性函数关系为：Y=1.5963+0.0003X。李金平[19]等对汶川地震研究认为，汶川地震震前出现3次地面升温异常，临震增温异常持续13d，异常升温高达10℃。

赵振明[19]等研究发现，汶川地震震前其周侧区域温度均出现了异常变幅，且总体呈现为由震区向北、向东降温幅度变小的趋势。