地震前兆现象研究综述

摘要：近年来，随着中国城镇化的高度建设，加之构造活动的活跃，地震灾害带来的损失越来越大，因此避开或减小地震灾害造成的影响就变得尤为重要。现阶段，人类主要通过地震预报、地震预测、地震预防教育、优化城镇选址等手段来避免或减少地震灾害带来的损失。但是，地震预报、地震预防教育、优化城镇选址等手段都难以实现地震前的及时预知，无法充分获得防震准备，相比较，地震预测手段就可以很好的实现这一点。地震预测主要是根据地震前震期所发生的一些前兆现象来进行判断的，目前科技下可获得的前兆现象主要包括：动物行为异常、热红外异常、电磁异常、大地变形、地应力急速变化、地下流体异常等。对这些前兆现象进行研究并对现有问题进行改进，将会提高地震预测手段的精準性，及促进它的发展，为减少地震损失具有十分重大的意义。

关键词：前震期;前兆现象;地震预测

1 地震预测的重要性

众所周知，地震是人类目前面临的危害最大，破坏性最严重的自然灾害之一，地震曾在世界范围内造成了巨大的人员伤亡和经济损失，如1976年的唐山7.8级大地震，死亡24余万，重伤16万人，直接经济高达损失100亿元以上;2004年的印尼9.2级大地震，引发的海啸袭击11个国家，造成29万余人死亡;2010年的海地7.0级大地震，最终造成人员死亡17万余人，经济损失十分巨大。而且，随着城镇化的发展，人口的增加，地震带来的威胁也随之变大。有研究表明，死亡人数大于5万的地震的数量将会随着世界人口的增加以及城镇化水平的提高而增加，并且预计21世纪因地震造成的人员伤亡和经济损失将会更大。而中国截止到2014年，城镇化率达到53.7%，还远低于发达国家80%的水平，也低于人均收入跟中国相接近的发展中国家，我国城镇化的发展还处于十分快速的阶段。而且中国又是一个人口大国，地震灾害对中国存在的威胁是十分巨大的，为此，对地震防灾等方面的研究意义也是非常的重大。

目前，由于地震的发生机制比较复杂，地震蕴蓄力量较大，通过人为的减少地震的发生来避免损失几乎是不可能的。人类只能通过其他的措施来进行防灾。现阶段，人类应付地震带来的危害，主要是通过优化选址、地震预报、地震预测、地震防灾教育、建构筑物抗震等措施来降低损失的。然而这些方法中，除了地震预测和地震预报外，其它方法都未考虑地震发生的可能时间，是一种提前预备的手段，以期待在地震发生时，尽可能减少损失。但地震来的时候都是爆发式的，尽管在现代教育发达、建筑结构抗震良好的情况下，仍然少不了带来很大的人员伤亡。所以既然避免不了地震的发生，但能够在地震来临前进行足够时间的准备，这将对地震避灾产生极大的正面作用。

对于地震预报和地震预测，由于目前地震周期性理论尚不清晰，难以进行精确的长期的地震预报，而地震预测，便可以得到一个地震来临前的相对精准的预测，目前中国已有多次地震预测成功的案例，如1975年的海城地震，1995年的中缅地震等。目前对地震进行预测的方法或前兆现象主要包括动物行为异常、热红外异常、电磁异常、大地变形、地应力急速变化、地下流体异常等。本文希望通过概述国内外关于地震预测工作中前兆现象的现状，总结目前存在的主要问题，以期进一步促进社会对地震预测及相关问题的了解与认识，另外从教育角度讲，对地震防灾也有一定的积极作用，从而使社会更加科学地看待地震前兆现象及相关问题。

2 地震预测的前兆现象及其现有研究问题

2.1 动物行为异常

关于地震前动物存在异常行为的记载早在千年以前就已经出现过，但很早之前的的事迹或者数据都是在事后由报告或者其他人员的述说得知的，这样使得事件具有一定的回忆性和主观解释性，可能与真实情况存在一定偏差。但纵观地震的发生史，尤其是近一两个世纪以来对地震与动物关系的研究发现，地震与地震前动物异常行为之间存在着某种高度的联系，这使得研究地震前动物的异常行为成为必要，并渴望以此来实现地震前的短临预测。而且目前，关于利用地震前的动物异常行为进行地震预测已经有成功的案例，如1968年7月24日发生在东汪附近的4.8级地震，以及同年9月17日发生在宁晋的4.2级地震，此外还有震惊世界的1975年2月4日发生的7.3级海城地震，这也是唯一一次根据动物异常行为为主要依据进行成功预测的案例，也是世界上唯一一次没有争议，具有很大科学效益和社会效益的成功案例。

那么地震前，将可能会引起那些动物的异常反应呢？据相关资料表明，地震前产生异常行为的动物种类数很多，野生的包括老虎、狼、猴、鸽子、蛇、青蛙、蚂蚁、天鹅、老鼠等，人工饲养的生物的也有反应，如马、牛、羊、猫、鸡、蜜蜂等。具体的异常行为如牛、马、羊、鸡等人工饲养类不进窝，并伴有焦躁、进食不规律等异常行为;冬眠类动物如蛇、青蛙会提前醒来并爬出洞穴;蚂蚁、老鼠搬家;鱼成群浮游，跳出水面;动物园常见的鸟类、哺乳动物活动量减少;实验室小鼠昼夜节律失常等。

目前，关于地震前动物存在异常行为的科学原因还没有统一定论，甚至有科学家对以震前动物的异常行为来进行地震预测持有怀疑态度。但目前关于震前动物出现异常行为的原因大致可以分为以下几类：

（1）大地中存在有毒气体及放射性气体，如一氧化碳、氡气、甲醛等，地震时由于物理化学作用使得气体逸出地表，该类有害气体对生物产生作用，对该影响作用反应强烈的生物表现出异常行为;

（2）震前由于深部岩石大范围的微小破裂，造成一定频率的声波传递到地表并引起微震动，对声波或震动敏感的生物如鱼、鸽子等生物会产生类似于焦虑、急躁、进食不规律等异常行为;

（3）震前由于压力作用使得地壳岩石中带有正电的载流子产生向地表的流动，当其到达地表时，还会引起水中的电化学反应，并改变地-空界面处的电离场，研究表明，带有负电的一定量的空气离子会对人类乃至其他一些生物产生有益或愉快的效果，而带有正电的空气离子则正好相反，其会引起人类和动物血液中血清素的增加，并产生类似于“血清素综合征”的症状，从而产生一些异常行为;

（4）因压力增加使得地壳岩体中产生电流的同时，因电流作用也会产生一些超低频电磁场，并传达到地表，有研究表明，超低频电磁波会对有机体产生一些功能上的影响，如老鼠、牛群的昼夜节律失常;

然而，关于震前动物异常行为的研究也存在着诸多的问题。目前这类的结论主要是根据经验、地震后的回忆来进行总结而出的，这方面的研究还不具备系统性、科学性的特点。一方面是由于震前动物异常行为的研究起步较晚，并且结论都是在震后总结得出的。另一方面是，动物表现出异常行为不仅与地震有关，还受到天气、环境等因素的影响，并不是每次地震都会出现动物的行为异常，其可能还与地震，区域构造等因素有关。但这也为新的研究带来了一定的机遇，可以根据地震前可能引起的某种物理化学场变化的单一因素，通过实验来对生物进行研究，建立地震与震前生物行为异常的关系。另外随着科学技术的发展，目前已经进入了分析水平，利用基因序列研究生物与地震的关系也成为了可能。

2.2 热红外异常

地球热红外表现是地球表面各种因素的热辐射状况的一个综合反映。它受到地热、天气、太阳辐射、昼夜变化等因素的影响。但在一段时间内，在相同的气象背景和正常的太阳活动下，在无震活动时，热红外呈现出一种规律性变化的静态图像。这为地震前利用热红外异常预测地震成为可能。

将卫星热红外技术应用于地震预报的研究始于上个世纪80年代，最早是由前苏联学者Gorny、Tronin等人在分析中亚地区地震时将此观点发表的，之后在世界范围内迅速的引起了科学家们的关注。

关于地震前引起热红外异常的成因机制，目前被普遍接受的说法是在孕震区的震前短临阶段，由于地应力的迅速增加，使得地下气体和能量得到释放，然后在低空的大气电场的作用下，使得大气产生了增温效应，伴随着物理化学的相关作用，最终可以以热能的形式展现出来，从而在原来正常的热红外背景下叠加了额外的热红外辐射，因此可以呈现出一种地震前临震阶段前兆性的热红外异常现象。

在对以往地震和热红外异常的研究中，普遍发现中大地震中震前乃至震后与热红外异常有着紧密的联系，不仅在震前震后的时间上，其热红外异常的分布与断裂构造条件也有很大的相关性。但在该项研究中，也存在着很多的问题：

（1）根据以往研究，地震前后出现热红外异常的变化幅度不是很大，这使得除地震因素外，其他因素对热红外的干扰是非常的强烈，从而这也使得数据处理成为一项重要研究。

（2）并非所有的地震都会出现热红外异常，目前关于震级与震前热红外异常幅度的关系还不明确，但热红外异常大都出现在中强地震以上。

（3）热红外异常不只出现在震前震后，在天气、太阳活动等因素的影响下也会发生，这为地震预测带来了不必要的惊慌和干扰。

（4）利用热红外异常对地震进行預测需要对各活跃构造地区进行长期的监测，短时间的监测异常不具备可靠性。

2.3 地下流体异常

地壳是包含水和气的介质，他们是地壳岩石中最活跃的物质之一，而地震的产生是大范围岩石一个连续性动态破裂的结果，根据弹性回弹等理论，在地震发生前，一般存在一个孕震的过程，在该过程中，地壳岩石中微破裂的数量和大小都在增加，从而影响孕震区形变速度随时间的一个变化，并导致岩石物理化学性质的改变，而地壳岩石中微裂隙的发展变化，必然会引起充填在这些微裂隙中作为最活跃物质之一的地下流体的反应，因此而产生的地下流体的异常变化可以作为地震前兆现象的一个判断。

地下流体包含的对象一般指地下液体和气体，而地下流体异常，则包含众多个方面，如水温异常、水中成分异常、水氡气氡等地下深部气体异常、水位异常等。在利用地下流体异常进行地震预测探讨，我国是最早的国家之一，在1966年邢台7.2级强震之前曾出现了地下水冒泡、翻花、水味变化等现象，并且这类的历史记录早在古文中就有记载。在邢台地震之后，我国将地下水中惰性气体氡考虑到地震监测中来，并在上个世界70年代左右也将地下水位的变化纳入进来。

目前这些异常与地震预测的研究已经取得了一系列的成果，如1969年渤海地震、1970年通海地震、1975年辽宁海城地震、2015年台湾高雄地震等事件中都监测到了水氡含量的跳跃异常变化，甚至在1975年海城地震时，震前水氡的异常也是当年成功预测的一个重要考量因素。利用地下水位变化来预测地震，早在1977年前苏联学者M.A萨道夫斯基就已发文说明此异常与地震的关联，我国也在上个世纪80年代，研究了震前地下水位的变化，发现54次地震数据中，有65%的次数在震前会伴随着地下水位异常现象。目前随着监测手段的发展，监测对象也有所扩展，包含了氡、氦、硼等多种元素。而且目前我国已出版《地震监测与预报方法清理成果汇编-地下水分册》、《地震地下水动态及其影响因素的分析》、《水氡观测技术规范》等一系列成果。并且目前我国也已经形成了全国性地震区的水化地震观测台网。目前，地下流体作为地震预测的主要问题集中在以下几点：

（1）地下氡的释放未必会在临震阶段产生异常，也可能发生在同震阶段，且受到震级、震中位置与检测地点距离等因素的影响;

（2）水中化学离子成分的异常会受到降雨、微生物以及其他因素的影响，容易受到扰动;

（3）地下水位异常幅度与震级、震中距、异常超前时间、地质构造、当地水文环境有着复杂的关系，且易受到降雨天气影响，单井或少数井监测到的结果未必可以作为震前异常现象，需要通过局域监测网才能得到可靠度高的结果;

（4）深部岩体的水岩作用、气岩作用等机理尚不深入;

（5）地震水化监测仪器是目前地震前兆监测中的一个薄弱环节，其灵敏度，正常工作效用仍需要改进提高;

（6）地震区长期监测下的背景资料缺乏，这位地下流体异常分析中剔除背景干扰带来困难。

2.4 电磁异常

地震临震阶段伴随的电磁异常现象包括超低频电磁辐射异常、山顶和山脊放光以及产生闪电、电离层异常、磁场异常等。其中山顶、山脊放光及闪电现象在地震统计资料中不具备客观规律，其应用于地震预测有很大的局限性。而对于超低频电磁辐射、电离层异常、磁场异常已经得到了统计学的验证，其异常现象的产生，与震前孕震过程有着很大的联系。

地震前，通过卫星观测到电磁异常是上个世纪80年代空间物理学家Gokhberg、Pilipenko等人偶然发现的，之后引起了各国广泛关注和研究，曾在1994年北海道8.3级地震、2004年苏门答腊9.2级地震、2008年汶川7.9级地震、2010年智利8.8级地震等众多中大型地震中观测到电磁异常现象。

然而目前关于孕震阶段与这些电磁异常现象之间的机制还没有得到一个统一的定论，现在主要有气泡运移假说、边界位错充电假说、离子空穴运移假说。但这三种假说都不能完全的靠单一假说来完成解释所有电磁异常的现象，其中较为被接受的是离子空穴运移假说，但其也存在着一些问题等待解决。

关于震前与电磁异常现象的研究存在的问题主要有：

（1）目前电磁异常出现的机理尚不清楚;

（2）同样，地磁场也受到太阳、天气、空间活动、人为活动等因素的影响，异常并不只是出现在地震前，而且异常出现的位置与地震震中并不是唯一对应的;

（3）背景观测数据不充足，为从地震前的电磁数据中提取出异常值带来了困难;

（4）电磁异常与震级有明显关系，一般只在中大地震前出现，但也非定论。

2.5 震前其他前兆现象

除了上述叙述以外的震前前兆现象，还有一些其它的前兆现象，如大地变形（水平及垂直形变、大地倾斜等）、震前地应力急速上升、植物异常行为（不适季节开花、结果、枯萎、异常茂盛等）、地震云、地雾、地震波速差（纵波和横波传播速度差异）等，对于这些前兆现象，其受到的干扰因素更多，对其的判别过程也会更加的复杂。像大地变形和地震波速差异，其在监测设备生有着更高的要求，且监测设备所处的环境也容易受到其他因素的干扰，而且这类前兆现象往往出现的时间很接近地震发生的时间，因此难以及时对地震是否发生做出有效的判断。

对于震前的地应力的变化，由于震源在地表深处以下，平时的监测是十分困难的，且发震位置难以提前判断，单一或少量的监测设备又难以得到可靠地监测结果，因此这方前兆现象的研究往往限制在理论上。至于剩下的其它现象，其更多的是事后回忆性的和轶事性的，且其影响机制更加模糊，因此目前将这些前兆现象作为地震预测的方法还不具备系统性和科学性。

3 总结

目前关于地震是否能够预报（预测）仍存在着很大的争议。就当下总结而言，既有地震成功预报的案例，也有失败的案例。失败的案例如上个世纪70年代到90年代之間，中国的唐山地震、美国的帕克菲尔德地震、日本的神户地震相继预报失败;成功的案例如希腊的Varotsos利用地电场成功的预报了1988年的克法利尼亚岛地震，我国也成功的利用震前动物异常行为、水氡异常等前兆现象预测了辽宁海城地震。

虽然目前对震前的异常现象的产生机理难以做出一个系统性的解答，但目前就从统计学的角度上讲，震前确实却在着和地震紧密相关的前兆现象。既然地震是一个一系列机制发展下的结果，其发生也要过应力积累、状态急速变化等阶段，而且发生地震的地壳岩石又与其他许多介质有着的然联系，那么地震的发展必然会引起一系列的连锁反应，相信随着科学技术的发展和地震相关学科的进步，地震的预测将会在将来成为可能。在当下地震预报预测手段还不发达的情况下，地震防灾减灾的工作仍不容忽视，进一步加强地震教育、增强建构筑物防震性能、优化城镇布局仍是十分必要的措施，以期待在当下中国飞速发展的背景下，将防震减灾做到最好。

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作者简介：蔡朝鹏（1993—），男，河北邯郸人，硕士在读，研究方向：岩土地质。

（作者单位：1.同济大学 土木工程地下建筑与工程系;2.同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室）