多手段形变监测与地震预报

张立成 薄万举

1 中国地震局第一监测中心，天津市耐火路7号，300180

地震预报的历史经验和震例总结十分重要，可为今后防震工作的开展提供重要参考。我国大地测量应用于地震监测预报始于1966年邢台地震，至今已有55 a的历史，已逐步形成多手段、多队伍的地形变监测格局，积累了大量监测资料。地震中长期预测和中短期预报均有较为成功的实例，但错报、漏报的例子也不少。目前的地震预报水平离防震减灾的实际需求还有很大差距，实事求是地总结成功的经验与失败的教训有利于我们获得更加清醒的认知，以便不断完善多手段地形变监测的应用，推动地震科研与预报事业不断向前发展。

1 地震预测预报实践中出现典型形变异常的简要回顾

1.1 1975年海城MS7.3地震预报

1975-02-04海城MS7.3地震的预报是我国地震预报实践的成功案例[1]。虽然成功具有一定的偶然性，但也得益于多种前兆观测异常的预报。震前各种前兆观测都出现了大量的异常[1]，图1为金县跨断层短水准的异常变化[2]。

1.2 1987年新疆乌什MS6.4地震预报

1987-01-24新疆乌什6.4级地震发生前，乌什地震台倾斜仪、应变计等多种形变、应变仪器均监测出短临前兆异常，最典型的是钻孔应变计旬均值的变化(图2)。由图可见，1986-10出现大幅度突跳变化，其幅度是前面最大变化量的100倍以上，杨志荣[3]根据该异常给出了准确的中短期及短临预报意见。

1.3 2005年新疆乌什MS6.2地震预测

2004年中国地震局第一监测中心根据新疆地区流动GNSS给出的水平位移场异常和多点地倾斜指向或背向震中的异常，经综合分析给出了新疆年度震情危险区预测[4]，预测研究报告收录于中国地震局年度震情研究报告中，其中危险区的年度预测与2005-02-15新疆乌什6.2级地震有较好的对应(图3)。

1.4 2013年芦山MS7.0地震预测

根据跨断层趋势异常和短期异常的跟踪结果，结合重力异常和发震构造的空间分布，苏琴等[5]对芦山2013-04-20 MS7.0地震的时间、地点和震级给出了较好的预测意见(图4)。

1.5 1976年唐山MS7.8地震长期预测

1970年中央地震工作小组地震测量队(先为中国地震局第一监测中心)在唐山地区发现垂直形变异常。根据大地测量结果，在手工计算、绘图情况下较为准确地给出唐山地震的预测结果[6](图5)。该预测报告[7]指出，根据重复水准测量结果，柏各庄-唐山-滦县一带上升20～30 mm，唐山地区及渤海沿岸的上升很可能反映了未来一次大震。

图5中标注了当时给出的地震危险区预测范围，图中最大的黑色圆圈为1978-07-28唐山7.8级地震发生的位置，右上角的小圈为1975年海城7.3级地震发生的位置，下面的椭圆形小圈位于郯庐带上，无强震发生。

1.6 全国垂直形变图给出的中长期强震预测结果

图6是1998年中国地震局第一监测中心给出的中国大陆强震危险区中长期预测结果。该研究主要依据全国大面积水准测量资料，并补充了部分局部地区的断层形变测量和GPS测量资料[8-11]。

由图6可见，危险区预测结果与实际地震发生位置对应效果较好的有：2001-11-14昆仑山口西M8.1地震(I5)、2001-02-23雅江M6.0地震(I7)和2001-10-27永胜M6.0地震(I12)。此外，由于所用资料时间跨度较长，1996-11-19喀喇昆仑山口M7.1级地震(I13)、1998-01-10张北M6.2地震(I9)、1990-04-26青海共和M7.1地震(I11)和1996-02-03丽江M7.0地震(I12)发生地点也位于图6给出的危险区范围内或附近。虽然上述地震发生在研究成果给出之前，但同样显示出大地测量对强震中长期形变前兆的映震能力。该成果获得中国地震局2002年度防震减灾优秀研究成果三等奖。

1.7 震后总结给出的典型形变异常

图7(a)是杨国华等[12]处理大面积水准数据后给出的1989-10-19大同MS6.1地震前呈四象限分布的隆起异常图，该异常图刚给出就发生了大同地震；图7(b)是大同地震震后总结出的两次地震前山西带跨断层形变出现的群体性异常[10]；图7(c)是1978-07-28唐山MS7.8地震前宁河跨断层水准出现的巨幅形变异常；图7(d)是1996-02-03丽江MS7.0地震前永胜跨断层测量出现的巨幅形变异常；图7(e)是1998-01-10张北MS6.2地震前张家口倾斜仪出现的异常，由于多次调整格值，完整的异常形态在震后总结中才得以发现；图7(f)是南口5-4水准几次异常突跳与附近几次强震的对应情况[10,13]；图7(g)是2008-05-12汶川MS8.0地震前耿达跨断层水准出现的异常；图7(h)是震后总结发现的汶川地震发生前震中附近存在的显著长时间相对隆起异常[14]。

从上述成功预测的震例及震后总结发现的典型形变异常不难看出，对于形变观测场地附近区域发生的较多强震，震前往往会出现典型的大幅度地形变异常，有的还给出一定程度的预报，但有减灾实效的地震预报实例极少。回顾多年震情跟踪的过程可以发现，这些突出的异常大多在地震发生前就已经被注意到。但经落实，这些异常都或多或少存在可疑的干扰源，经专家论证后，多数异常在地震发生前就被定性为干扰。干扰引起的异常很多，若虚报过多则会引起不必要的社会恐慌，给人们的生命财产造成威胁。薄万举等[13]提出一个顾及到当前噪声及构造活动本底水平差异的指标K值用于地震预测。指标K>5的巨幅形变异常通常是极少出现的，但对应了数次MS7.0以上的地震[13]，反过来寻找有巨幅形变异常却没有强震发生的反例却只有2例：一例是2008年汶川MS8.0地震前大口子跨断层短水准出现的形变异常，该异常虽然在时间上与汶川地震对应，但按K值标准计算，震中距超出60 km，应按虚报处理，故列入反例统计；第二例是2009年前后山西临汾地震台跨断层水准出现的巨幅形变异常，该地区在经过几次MS4.0小震后重新恢复平静，至今无强震发生。目前来看，按照K>5的标准，巨幅形变异常指标对MS7.0以上地震的报准率大于虚报率。由此可见，异常出现后落实干扰是必要的，但异常与干扰之间存在的辩证关系亦不容忽略[15-16]。

2 形变前兆异常的多手段监测与识别

本文回顾了一些形变异常与地震的对应情况，可以发现，地震预报情况并不理想，尤其是强震、大震，虚报造成的损失是每一名地震科研人员以及决策者必须考虑的。实际上，干扰与地震前兆异常存在着伴生、触发、抵消、抑制、叠加等十分复杂的辩证关系[15-16]。不难发现，比较成功的预报大多都综合了2种或2种以上手段观测到的异常。因此，我们观测到异常后，既要进行现场调查与研究，了解可能存在的干扰，同时又要通过历史资料的类比分析等，研究类似的干扰是否足以引起观测到的异常，尤其是巨幅形变异常。按照非线性动力学的观点，干扰很可能起到触发巨幅形变异常的最后决定性作用，巨幅形变异常本质上可能反映的就是强震孕育到临界状态时对外界微小扰动的一种响应。强震预测的正确性是有效减灾的关键，因此为了增加报准率、减少虚报，对于中长期预测给出的危险区，需加强形变前兆的多手段监测与识别，如重力、地倾斜、跨断层水准、跨断层基线、区域水准、跨断层GNSS、InSAR、跨断层综合观测剖面等，同时还可以加入一些其他的前兆观测手段，达到优势互补的目的。

3 形变监测与异常分析中几个值得注意的问题

3.1 中强地震预测效果好，强震预测效果差

强震预测效果比中强震差这个问题不仅存在于形变观测手段中，也存在于大多数其他前兆观测手段中，其根本问题是样本数的统计。目前地震预报还离不开经验总结，寻找规律更离不开数理统计(如各种异常对应情况的统计、信息合成中的统计等)，而统计就需要震例样本，大样本统计出来的结果才有较高的可信度。现有的观测资料中强震的样本数很少，往往不具有统计意义，为增加样本数，只好降低统计震级的下限。这样统计出的规律只能代表多数的中强地震，遇到大震往往失效。

3.2 异常标准的量化

将异常进行量化方可便于推广应用，但绝对的量化标准容易走进误区。如中国东部地壳活动强度远小于西部，本底正常活动水平相差很大，异常判定的量化标准就不能相同。对同一个地区而言，如果很长时间没发生地震，那么地壳应力会在积累过程中达到一个稳定的闭锁状态，形变量级一般不显著；但当应力积累到临界状态，产生预破裂、预滑移时，就可能观测到显著的形变异常，此时得到的异常指标用于类似区域首发地震尚可，但无法用于后续的继发地震。因为首发地震破裂使该区域的地壳活动变得十分剧烈，判定形变异常的标准必须随之改变。前面提到的文献[13]中的指标K，已在一定程度上考虑了这一问题。

3.3 新方法与场地改造

地震预报的进步离不开先进科学技术的支撑，如GNSS、InSAR等。但在新方法、新技术尚未完全取代老方法之前，不可中断资料的积累。与形变观测相关的场地改造存在的类似问题可能更加显著，几十年来都没有对应地震的观测场地。因为对于至少数百年复发周期的强震来说，几十年无显著的异常变化是非常常见的，不足以否定其对未来强震的映震能力。若要进行改造，只能是在保证原有观测连续、稳定的基础上进行完善型改造，否则几十年积累的数据及其反映的形变规律在新改造的场地上将难以发挥作用，因为新资料的变化规律未知，新的异常难以判断。

4 结 语

地壳形变与地壳破裂发震之间的物理关系最为密切，地形变测量是获取地震前兆异常的主要手段之一。地壳不是刚体，破裂前必有应力的异常变化和伴随的异常变形，这种异常变形信号可以通过地形变测量捕捉到，从而对强震进行一定程度的预测。本文围绕地形变手段收集汇总了若干典型的形变异常、与强震对应的情况和用于地震预测、预报成功的实例，通过多年实践，提出几个值得注意的问题，希望为今后的地震预测工作提供参考。

实验证明，岩石破裂前形变的时空分布具有一定的复杂性，地壳本身的构造及物性又具有明显的各项异性特征，加上各种自然和人文的干扰因素，使得真实的地形变时空分布更加复杂，在人力、物力有限的前提下，在恰好的时空敏感点获取一次地震前的显著异常形变并非易事。尽管如此，地震预报工作者也要坚定信念，勇于钻研，为早日攻克地震预报难关贡献力量。