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地震大地测量学——强震预测科技途径、问题与展望_图文

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地壳运动与地震2014 年 12 月第 4 期(总第 114 期)目 次地震大地测量学—— 强震预测科技途径、问题与展望 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙江在森 11 地震预测的困难及大陆地震预测问题 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙际国内开展地震预测基本概况 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙国大陆震情背景及大陆强震预测问题 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙52 地震孕育发生过程的地壳形变相关认识 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙震孕育过程中地壳形变的基本理论认识和问题 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙同观测技术获得的地壳形变特征及其与地震的关系 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙113 地震大地测量学大陆地震预测科学思路与技术途径 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙国地震预报总体科学思路 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙震大地测量学大陆地震预测科学思路 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙震大地测量学大陆地震预测的技术途径和方法 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙214 多时空尺度地壳形变动态特征与汶川地震反思 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙度板块与中国大陆大尺度地壳运动动态特征 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙地震引起构造应力场调整变化的区域地壳形变响应 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙地震前不同尺度应变率场与地壳形变特征 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙川地震前龙门山断裂带区域应变积累与同震位移对比分析 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙川地震的启示 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙震孕育过程地壳形变动态特征及中期(数年)地点预测判据 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙41地震大地测量学地震预测的展望 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙发展中国地震预测科学体系中地震大地测量学的作用 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙对地震预测任务需要可能加强的工作 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙展地震动力学模型综合预测(或数值预测)需要开展的工作 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙47主要参考文献 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙49主编: 郭唐永 副主编: 饶扬誉 责任编辑: 饶扬誉 编辑: 付燕玲 孟 慧 黄 清1地震大地测量学——强震预测科技途径、问题与展望江在森 (中国地震局地震 预测研究所,北京 100036)【摘 要】把大地测量学理论、技术、方法与其他多学科理论、方法结合,研究地震孕育、发生的动力动态过程,揭示地震机理,认识地震活动规律是地震大地测量学的重要任务。探索强震预测的科学技术途径亦是地震大地测量学的重要应用目标。本章主要结合我国开展大陆强震预测的任务需求,从观测到的强震孕育、发生过程的地壳形变主要特征等,初步研究、讨论了地震大地测量学开展大陆强震预测的科学思路和技术途径。主要内容包括:我国震情背景和大陆强震特点及预测面临的主要问题;从不同时空尺度的地壳运动、地壳形变基本动态特征及其与构造强震的孕育、发生过程可能的关联性的认识;地震大地测量学的大陆强震预测主要科学思路和技术途径;从多时空尺度地壳形变对汶川地震的反思;强震孕育过程地壳形变动态特征及预测判据;对地震大地测量学地震预测的展望。1 地震预测的困难及大陆地震预测问题地震预测总体上仍然是尚未攻克的科学难题,存在的困难和问题很多,大陆地震预测又有一定的特殊性。下面先介绍国际国内开展地震预测基本概况,分析中国大陆震情背景和大陆地震预测的主要困难和问题。际国内开展地震预测基本概况(1)地震预测——世界性科学难题从 20 世纪 60 年代我国及美国、前苏联、日本等国开始进行地震预报探索, 近 50年来虽然在科学上取得了很多进展, 但与实现地震预报的目标之间仍存在很大的距离。进入新世纪以来人类已多次遭受灾难性大震袭击。包括在一些开展地震监测预报工作的地区发生的地震未有做出明确预报的例子, 而作出较明确地震预测的地点却未发生预期的地震, 地震预测的困难似乎超出了科学家的估计。如美国地震科学家根据圣安德烈斯断裂的帕克菲尔德断层重复地震模型预测在 1985~1993 年发生 6 级地震的概率高达95%, 建立帕克菲尔德地震预报实验场(1994), 建设密集地震监测台网( 图 1,et 2005), 从多学科技术监测地震孕育发生过程, 并捕捉一切可能的前兆以开展短期(几周内)地震预报。然而在 作者简介:江在森,男, 1956 年生,湖北省麻城市人,研究员,长期从事大地形变测量、现今地壳运动、地震预测方面的研究工作。 E – 126. 985~1993 年)内没有发生地震。直到 2004 年 9 月 28 日才发生 6 级地震(. et 2005; 张国民等, 2009)。日本地震科学家于 20 世纪 70 年代末开始提出的日本东海及南关东 8 级大震危险段(图 2 中观测强化地域), 主要由 1703 年以来 以上地震的断层滑动和现代大地测量结果给出的应变分配综合估计断层滑动亏损率等, 从而认定其 8 级(预测震级~地震危险性已逼近(2007)。但至今东海 8 级地震危险段尚未发生大震, 而在不被关注的地区发生了 1995 年阪神 005 年福冈 等强破坏性地震, 且在根据历史地震破裂段分布估计日本海沟中震级上限相对较低(不超过 8 级) 的地段发生了日本记录以来最大的 特大地震, 更是超出了科学家的认识。中国曾对 1975 年海城 地震做出成功预报, 以及对 1976 年松潘地震、1995 年孟连 地震、1997 年伽师强震群部分地震等做出了一定程度预报。但在 1976 年唐山 、2008 年汶川 大震灾的预报中遭到严重的挫折(中国地震局监测预报司组织编著, 2009) 。图 1 帕克菲尔德地震预报实验场与 2004 年 6 级地震( et , 2005)圣安德烈斯断裂(红线)上地震破裂带(黄色区域), 方块表示地震仪、应变仪、蠕变仪、电磁仪和连续 ; 左下角为 2004 年帕克菲尔德 6 级地震(黄色破裂带内 )余震(黑点)的分布3图 2 日本地震特定观测地域与观测强化地域(据日本地震予知連絡会报告, 2002)那么,地震预测这个科学难题是否无解呢?国际地震科学界关于“地震能否预测”, “是否应该把地震预测作为研究目标”有过激烈争论( S, et 1996; , et 1997; 119. L, et 1997; R,et 1999)。反对把地震预测作为科学目标的主要理论依据是地壳介质处于所谓自组织临界状态(P, et 1989)。在这种状态下, 介质处于进入混沌状态的边缘, 并对初始条件极端敏感。或者更通俗地说, 由于非线性相互作用, 任何小事件都有可能自动演化成为地震。针对地震能否预测的争论, 美国著名地震科学家 曾分别对不同时间尺度地震预测的物理基础和实现预测的可能性进行了分析( R ,et 1999)。他们从理论上批判了对地震预测全面否定的绝对化看法,认为地壳并非总处于自组织临界状态,地震作为一种复杂过程,与其他一些自然现象(如火山喷发 , 强风暴, 天气变化等 )一样, 本身都存在能够预测、可能预测以及不可预测的成分。他们认为地壳在构造加载的情况下, 应力有一个缓慢增加的过程, 混沌和非线性现象主要出现在地震破裂的非稳定滑动阶段, 地壳进入自组织临界状态不应看作是地震预报的障碍, 而应看作是地震形成的前兆。中国科学工作者至少不晚于美国也独立地提出了自己的看法。周硕愚等將中国大陆地震大地测量学观测结果和系统自组理论相交融,提出:地壳运动动力学的基本常态是自组织(稳定态,而不是自组织临界态( 。前者是动力系统的定态,后者是暂态,它只出现于演化过程中特定的局部时空域,从沙堆模型推论出“地壳被永久锁定在临界状态”是很片面的。而且自组织临界态具有混沌边缘态特性,这种确定性的随机行为对预测也是有意义的(即便处于 沌边缘态,浑沌吸引子的具体跃迁轨道虽然难以预测,但吸引子本身仍体现了“相空间”压缩的确定性趋势。因此地震不仅可能实现长、中期预测(地点与强度) ,短临预测也有取得进步的可能(逼近和压4缩对时间、空间、强度的预测域) ) 。因 对地震预报持悲观态度,是不正确的。(周硕愚等,1999,2004,2007) 。(2)中国与国外地震预测的不同定位中国于 1966 年遭受邢台 地震灾难后, 在周恩来总理亲自领导下开展大规模地震监测预报工作, 是在观测技术和观测台网覆盖密度相当薄弱的基础上开展地震预报探索, 基于中国共产党全心全意为人民服务的根本宗旨, 提出“边观测、边研究、边预报”的原则。在科技基础条件相当薄弱的情况下, 我国地震工作者艰苦探索形成了经验性地震预报的一套方法体系, 并取得了对 1975 年海城 地震(人类历史上第一次对强破坏性地震做出成功预报) 等少数地震预报成功的辉煌成就。我国是世界上唯一把地震预报作为政府职责的国家。而其他国家政府部门支持地震科学研究探索, 但不把地震预报作为政府职能。例如美国内务部的 对地震可能发生的地区及可能造成的危害和风险进行科学评估, 并将这种长期地震预测结论公开发布, 供公众参考, 但不承担法律责任。日本曾提出过地震预测实用化目标, 但遭受阪神大地震后认识到短期内难以达到地震预测预报的实用化目标, 防震减灾对策的重点转向工程抗震方面(开展了全面“抗震补强”建设工程), 目前只在认定将发生 8 级大震的东海及南关东地区作为强化监测区做试验性预报。俄罗斯在前苏联时期就曾进行了一些地震预测科学探索, 因科学家们普遍认为在短期内难以找到广泛适用的地震预报模型, 所以现阶段政府仍以支持基础研究和中长期预测为主。德国、英国、法国、意大利、澳大利亚和新西兰等国家也在积极开展地震预测科学探索, 但也没有把地震短临预报作为一项政府职能, 有些还将长期预测结果予以公布, 但只局限于学术范畴, 仅供警示参考。各多震国在开展地震监测预报研究探索中在科学思路和定位上也有差异。中国限于观测与研究基础的不足, 发展了基于观测到的各类“ 异常 ”与其后发生地震的经验统计性关系进行地震预测的独具特色的方法体系, 提出了“长- 中- 短马宗晋等, 1972)、 “场的动态监视与源的过程追踪相结合”和“以场求源” (张国民等, 1995), “块- 带- 兆 郭增建 , 1990)等重要科学思路。我国强调从较大的时空范围研究地震的孕育早期以美国为代表的发达国家研究地震预测时更强调震源与近源场的研究。如美国的帕克菲尔德地震预报试验场, 只是针对帕克菲尔德断层(长度仅约 40 且仅在近震源段沿断层狭小的区域开展密集综合观测研究(图 1, et 2005) 。日本虽对板块俯冲带进行研究, 但开展地震监测预报研究的重点也都很狭小(图 2, 日本地震预知联络会报告, 2002) 。美国、日本总体上是针对逼近发震的明确的潜在强震源开展地震预测探索的, 反映了他们是以据历史地震破裂段等判定的逼近发震的潜在强震源分布为基础而开展地震预测的。但日本实际发生阪神、福冈等地震却突破了这种认识。中国则是对除青藏高原中南部地区被划为监测能力低的地区以外的全部地区开展地震监测预报工作, 就是进行全面监视以“场”求“源”。对此日本著名地震学家茂木清夫从构造动力环境的不同给出了解释:美国南加州是板块边界孕育发生地震, 该区板块边界属单一的走滑断层为相对简单的模式(可能没有显著的应力集中就可以发生断层运动, 在这均一的断裂带内, 前兆现象可以很弱) 。日本位于板块消减带附近, 板块俯冲带影响到一定宽度区域高度压缩且构造破碎, 应力集中在许多点上可观测5到前兆异常。中国由于是印度板块、太平洋板块和菲律宾板块等联合作用的复杂变形区域, 有大尺度的大陆构造, 并处于高度受压的状态, 地震前可能有显著的应力集中, 可能出现较明显的前兆, 有时还观测到远距离前兆(图 3, 1982) 。美 国 中 加 州 日 本 中 国 ( 某 些 地 区 ) 应 力 剪 压 压 结 构 (断 层 ) 直 复 杂小 复 杂大 前 兆 没 有 或 小 较 显 著范 围 小 较 显 著范 围 大 图 3 美国中加州、日本、中国简化构造与前兆现象的本质( 1984) 但美国科学家后来也认识到地震研究可能需要从更大空间范围开展, 把对帕克菲尔德地震预报试验场的研究扩展到整个南加州。在科学研究方面美国和日本更重视基础, 包括在试验场或强化监测区多学科密集观测、地壳上地慢三维精细结构探测、孕震动力学综合模型与大型模拟等。而我国更侧重于全国范围观测资料密度相对不足的震例总结积累与预报实践。而在实际地震预测方面美国和日本基本上是要在长期预报明确的强震孕育源的基础上开展,如美国的预报试验场针对的发震断层段非常具体(图 1) ,日本上世纪后期开展地震监测针对的危险区都很小(图 2,日本陆地面积仅略大于我国云南省而比四川小,从图中可看出其观测强化区和特定观测区尺度很小) ,而我国虽然强调长- 中- 短由于长期预报基础较薄弱,通常难以针对十分明确的长期强震危险段开展预测,包括 10 年尺度和年度危险区都是相对较大尺度的。国大陆震情背景及大陆强震预测问题这一节从中国大陆百年来地震活动时空分布和中国大陆构造孕震环境基本特点,了解一下中国大陆地震活动的背景情况。进一步概括分析大陆强震预测的主要问题和困难所在。(1)中国大陆活动时空分布特点中国大陆强震多、震灾重。在 20 世纪一百年, 占全球陆地面积 7%的中国大陆发生了占全球 35%的 7 级以上大陆地震 (平均每 3 年就有 2 次 7 级以上地震), 因地震死亡的人数约占全球地震中死亡总人数的近一半(全球因地震死亡人数为 120 万人,其中我国 59 万人) 。我国在全球构造中处于欧亚板块东南隅,由于受印度板块北偏东向强烈推挤和太平洋板块向西俯冲联合影响等特殊的边界动力和构造环境(马杏垣, 1989), 中国大陆及其6边缘的强震分布范围在全球来看是从板块边界向大陆内部延伸最广的。西部主要属于亚欧地震带,而东部华北、东北和东南沿海又与环太平洋地震带关联。由 7 级以上强震形成的我国西部及其周缘大三角强震区是全球最大规模的 7 级以上大陆强震区(图 4), 除属于印度板块与欧亚板块边界的喜马拉雅带上分布的强震外大部分是板内的强震, 这在全球都是很特殊的。图 4 全球 M≧7 地震(1900-)震中分布及板块构造图中国大陆潜在强震源分布广、原地复发周期长、孕震构造环境更复杂,与板缘地震活动具有明显不同的特点。大陆地壳与海洋地壳的不同是在横向和纵向的结构与物性方面都存在很强的非均匀性,从而构成了大陆强震孕育的复杂环境条件( F. 1972;张少泉, 1986)。在中国大陆孕震构造系统中广泛分布有众多的潜在强震源,根据新地震烈度区划给出的 7 级以上潜在震源(东部 152 个,西部受资料限制只划出 487个,周本钢等,2013)推估中国大陆 7 级以上潜在震源在 1200 个以上( 中国大陆实际 7级以上地震活动东部占 12%,西部占 88%,项目组,2007)。因大陆内部应变积累速度较板块边界带慢得多(相差 1~2 个量级 ),相对应的强震原地复发周期也长得多(除川滇地块等少数地区外多在千年以上)。(2)大陆强震预测的主要问题和困难地震预测—根据对地震规律的认识,预测未来地震的时间、地点和强度。实现地震预测的基础是认识地震孕育的物理过程,以及过程中地壳岩石物理性质和力学状态的变化(中国防震减灾百科全书,地震预测预报卷) 。据此,基于现代科学技术要实现地震预测所需要的科学支撑可概括为以下三个方面:其一,对地震规律要有正确、完整认识,就是对地震孕育—发生的物理全过程要有正确的系统的认识,并形成对地震孕育—发生的理论模型;其二,对孕震过程有效的监测,就要有观测技术系统能够对地震孕育物理过程中地壳岩石物理性质和力学状态的动态变化进行动态监视,获取地震孕育过程的动态观测信息。7其三,有效的预测方法,即基于获取的反映地震孕育过程的观测信息做出地震预测的方法,其理想状态是建立物理预测模型,通过参数的动态变化能够定量反映孕震过程的进程,从而做出有效预测。这三个方面是相互制约的,其一、二是前提和基础,其三也是实现预测的关键。其一关于对地震物理过程的认识不能是凭空产生,而要基于对观测事实、实验资料来提升认识。其二、怎样建设、布局对地震孕育发生物理过程有效监测的技术系统,要以对地震孕育取和最佳组合利用现代各类观测技术来实现,并要参考以强震长期或中长期预测来确定重点监测区域。而其三,有效预测方法更是依赖于地震监测系统能够获取反映地震孕育进程信息的多寡、完整程度等,具体预测方法、模型的建立也依赖于对孕震理论、认识正确、完整性。地震预测问题提出的目的在于减轻地震灾害。由于人类常常遭受地震灾害袭击,对地震预测预报有着急切的需求,不可能等上述三个方面的科学支撑都具备了才搞地震预测预报。现阶段存在的困难和问题还很多。陈运泰、张国民等将其可概括为三个主要难点:第一、对地震孕育、发生物理过程的认识还很有限或不完整。包括目前地震成因理论和地震孕育模式, 都还只是在最简化条件下的物理抽象, 离科学揭示地震孕育、发生规律并可用于实际的地震预测还有很大的距离, 从根本上制约了地震预测水平的提高(张国民等,2003) 。第二点, 地震观测、探测能力不足, 虽然地震观测技术系统在不断发展,但包括对观测到的信息与地震孕育过程的物理关联尚在探索之中, 不仅不能深入到孕震层(地下一、二十公里之下 )直接观测震源过程,就地表观测获得的带有各种噪声的信息在空间和时间域的覆盖性、分辨率和动态信息获取能力也显不足,对深部构造、介质物性探测的分辨更不足。第三、由于大陆强震复发周期更长,更难以获取强震孕育- 发生全过程的完整的观测资料,使研究孕震理论和模型的验证,以及物理预测方法的有效性检验等都受到很大的限制。而从我国大陆地震特殊的背景来看,第一、构造动力孕震环境更复杂。与海洋板块近刚体运动为直接动力输入的板缘构造环境相比,我国大陆内部构造孕震环境更为复杂。不仅周边板块驱动力的输入不单一(有印度板块、太平洋板块), 而且大陆内部是多块体系统的相互作用(张培震等 , 2003), 又有深、浅部更复杂的耦合(上地壳脆性层以弹性变形为主,下地壳、上地幔更多显示韧性流变特征), 驱动力源也更复杂和更不稳定, 对深浅部复杂的孕震环境的认知程度低, 建立适合中国大陆构造环境的地震孕育、发生模型更为困难。第二、强震长期预测的工作基较薄弱。由于客观条件限制, 我国强震长期预测工作基础薄弱。我国大陆存在一千多个潜在强震源, 与板缘强震复发周期短、发震地点相对明确是显著不同的。由于大陆内部应变积累速率比板块边界要低得多(相差 1量级)而强震原地复发周期很长,包括一些具有强震孕育能力的活动断裂上的破裂空段中甚至最近一次强震事件距今的离逝时间都不清楚(如唐山 、汶川 地震前), 通过历史地震事件建立复发模型和通过离逝时间给出强震长期危险性评估, 因资料的支持程度比板缘强震差得多, 虽然在部分资料丰富、强震复发周期相对较短的地区开展了很好的工作( 如闻学泽等, 1993, 1999), 但相对于广泛分布的一千多个潜在强震源开展这方面的研究相当有局限。8总之, 在中国大陆开展强震预测除科学上的基本困难外, 由于中国大陆构造动力环境更为复杂, 而潜在强震源多达一千多个且分布范围广, 强震长期预测基础又较薄弱, 还要把地震预测作为一项任务来做, 因此, 强震预测工作总体上需要从中国大陆特殊的强震背景出发, 从理论、技术和方法的确需要不断研究、探索形成“中国特色”的路子。2 地震孕育发生过程的地壳形变相关认识构造地震是在地壳运动和地壳变形中孕育和发生的。进行地震预测探索,就要对地震孕育发生过程的地壳运动和地壳变形过程的认识不断深化,以求形成和发展基于大地测量技术开展地震预测的总体思路、技术途径和预测方法判据。下面对强震孕育过程中地壳形变的基本理论认识进行简要回顾,并对我国利用大地测量多种观测技术开展地震监测获得的地壳运动与地壳形变的时空特征及其与强震关系的一些基本结果和认识的积累做初步归纳。震孕育过程中地壳形变的基本理论认识和问题(1)基本理论与认识回顾由于地壳形变是与地震过程直接关联在一起的并可观测的现象,长期以来国内外开展地震研究都很重视通过观测和研究地壳形变时空动态来提取孕震特征。世界上对地震孕育和发生过程的第一个理论假设—弹性回跳理论就是通过研究 1906 年旧金山大地震的大地测量资料(1851~1865 年、1874~1892 年以及旧金山大地震后的三组三角测量数据), 通过对比分析地震前后的地壳变形特征而归纳出来的(1910)。这个理论认为, 由于圣安德烈斯断层两侧存在地壳相对运动而断层处于闭锁状态, 导致了断层附近地壳中弹性应变能的积累, 当应变达到临界点后, 发生破裂错动 , 断层回跳产生地震波(图 5)。据此理论, 对于地震中长期预测最基本的认识是要研究地壳弹性应变积累, 特别是发震断裂带应变积累状态。经过多年来的研究, 关于地壳形变与地震的认识有了发展和进步。一方面认识到地壳上部脆性层弹性应变积累是基础, 是发生地震时所释放的弹性应变能的来源, 另一方面认识到地震的孕育、发展过程与下地壳上地幔韧性层活动密切关联(图 6, H., 1998), 基本认识是下地壳深部韧性层长期处于相对稳态运动而不出现闭锁, 地壳上部脆性层由于断层闭锁使相对运动被阻碍导致应变积累, 同震破裂释放弹性应变使上部地壳孕震断层破裂错动发生相对运动与深部韧性层相对运动趋于一致。这实际上可看作是对弹性回跳理论的扩展,把基于地表观测的地壳脆性层的简单的弹性变形与回弹的认识(图 5)拓展到与深部韧性层( 图 3)联系起来认识。国际上很重视把大地测量资料作为研究震间期发震断层应变积累速度的约束, 由此研究应变积累状态为地震长期预测提供依据。9(a) 无 滑 动 势 积 累 (b) 震 间 滑 动 势 积 累 (断 层 闭 锁 )(c) 震时滑动势释放图 5 弹性回跳理论模式(1910)滑 动 成 核滑 动 成 核震 间震 间 滑 动滑 动 震后震后非稳态的非稳态的稳态的稳态的 同 震同 震滑 动 成 核滑 动 成 核震 间震 间 滑 动滑 动 震后震后非稳态的非稳态的稳态的稳态的 同 震同 震图 6 地震断层运动随时间和深度变化模式(H. 1998)在弹性回跳理论基础上, et 973)较早就把走滑型断层在震间(地震周期中的应变积累全阶段)弹性应变状态的断层两侧位移分布与震时位错和断层两侧块体的相对运动联系起来(图 7, . C., . O. 1973;et 2005), 较明确给出了在震间早期和晚期不同的变形特征(图 8, J. C. et 1973, 1978; . J. et 2005), 断层在地震破裂经愈合后开始应变积累的早期变形发生在断层边缘带很狭窄的范围, 而越到晚期(较接近下一次地震时)断层两侧变形范围就越宽、变形越平缓, 且认为这种变形随离开断层距离而衰减的分布是由断层闭锁强度或深度决定的。按照这一基本认识, 越到接近下一次地震发生时, 在断层附近所能够观测的相对运动与变形就越小。图 7 跨断层的平行断层方向速度投影(震间、同震和块体运动)( et 1973, et 2005 )图 8 地震周期内不同时期跨断层的平行断层方向速度投影(早期、晚期及平均)( et 1978; et 2005 )10前苏联的梅希利科夫最先根据水准测量获得的地壳形变时程变化的震例, 提出了反映地震孕育发生过程的三个阶段的划分(力武常茨, 1978)。图 9b 是日本的藤井阳一郎根据 30 个震例总结获得的地震孕育、发生过程中的地形变- - 相形态特征, 这已为人们所熟知( 周硕愚等, 1993)。它反映了从应变积累到失稳的变化过程, 与岩石力学实验给出的结果相对应(图 9a 中在经过稳定的弹性应变积累的 后, 进入非线性的 在 C 点后出现失稳和应力降), 认识从时间进程来看,  阶段前期属于断层愈合后的易变形段, 其后有一个较长期正常稳定的线性应变积累阶段, 之后地壳形变加速进入1 阶段, 再进入 2 阶段后出现明显的不稳定的变化, 再进入 阶段后发生地震。上述对地壳形变的认识模式是在分析多个震例地壳形变资料基础上形成的, 对孕震过程地壳形变的分析影响很大。图 9 地震前后应变的阶段性曲线(a) 岩石应力b)地形变前兆的阶段性特征由于国际上把大地测量资料作为研究震间期发震断层应变积累速度的约束以评估强震长期危险性是最受重视的。近二十年来 空间大地测量资料也应用于这方面的研究工作。另一方面利用 续观测台阵资料,针对板块俯冲带观测发现了慢滑移、静地震及脉动(等较为清晰的或有一定周期性的“事件”,认为 测到的这些“事件”来自脆发生“事件” 时会转移部分应力到其上部的锁定层,从而使已积累大量应力应变的锁定层的应力增加而加大了地震危险性。这就为探索提取强震前短临前兆异常信息提出了新的可能途径,并获得了一些新认识( K, et 2001; . 2002; et 2003; , et 2003; , et 2003) 。由于深部结构及地震活动已探明板块俯冲带上板块俯冲本身涉及几百公里以下很大的深度,针对俯冲带地震孕育过程的一些现象在板内、大陆内部的地震孕育中是否也有,目前尚不清楚。(2)对强震孕育过程中地壳形变的基本认识经过几十年的研究,在强震孕育过程的地壳形变研究方面取得了大量的认识,在国际国内地学界比较重视的一些基本认识和需要研究的基本问题,主要包括:①从弹性回跳理论假设(1906)来看, 构造地震之所以会发生主要是由于孕震断11层处的地壳上部脆性层积累了大量弹性应变, 当其达到一定限度发生脆性破裂错动就把震前积累的大量弹性应变释放掉。因此,了解震前地壳应变积累状态是研究地震孕育长期进程的基础。因而需要研究孕震断层长期的应变积累状态。②构造地震可能发生在地壳脆性层的底部或脆 . 1998 ), 地震的孕育动力过程与下地壳—上地幔韧性层活动密切关联, 因此需要研究韧性层活动引起的深部动力过程对孕震过程发展的影响。③地震的孕育过程与孕震区应力、应变场演化密切关联, 需要解决应变和应力分布的定量测量问题, 进而研究近地表应力、应变随时间变化与地震孕育、构造驱动力及地球流变结构等之间的关系。④影响地震孕育发展进程的驱动力源十分复杂, 同时传递到孕震体的动力源还可能存在非稳态的扰动, 这不仅需要关注孕震断层两侧块体之间相对运动, 还需要从更大尺度的板块运动、地球深部大尺度的动力活动等方面进行研究。在大陆内部复杂的构造系统中,构造动力传递的过程更为复杂。同观测技术获得的地壳形变特征及其与地震的关系随着空间大地测量技术发展应用,使大地测量技术由点到区域(观测网)尺度扩展的更大的空间尺度,通过各类观测技术能够获取包括从大尺度到全球板块运动、大区域地壳运动与地壳形变的时空分布,以及中尺度的地块相对运动和断裂带的构造变形动态,以及最小的定点观测获得的地壳连续形变等多个尺度的地壳形变动态信息。了解不同空间尺度的地壳形变的主要特点就可为研究大陆强震预测问题提供一些线索。(1)测反映的地壳水平运动与变形测技术可观测大到全球尺度的整体,小到公里尺度的地壳相对运动,可为研究伴随强震孕育发生的构造变形背景与动态响应提供重要的观测约束。(a)大区域地壳水平相对运动与变形主要受板块运动与相互作用控制,大陆内部呈现活动地块运动与边界带变形为主的与构造和动力背景相联系的地壳运动与变形协调有序性(李延兴等, 1999, 2003, 2007;张培震等, 2003;王琪等, 2003;江在森等, 2000, 2006, 2010, 2013;杨国华等 , 2001, 2003, 2005) 。可以认为,板块相对运动与相互作用可作为引起地壳发生变形的直接主因。(b)测获得的地壳变形空间分布总体上与构造地质现今构造运动与变形一致,分区构造变形特征清晰,且地壳变形强烈程度与强震分布在宏观上一致。由 且由主应变率与活动断裂的交角、主压、主张应变比例及分量应变率量值大小等,可对中国大陆不同构造区的构造变形不同特征做出定量描述(江在森等, 2001a, 2003b, 2006, 2013;杨国华等, 2001, 2003, 2005) 。(c)大尺度地壳运动具有相对稳定的变化趋势,但存在增强或减弱随时间变化,大尺度地壳运动可对较小尺度的地壳运动提供一定的约束(可能存在一定的平衡尺度,大于这个尺度的相对运动就具有一定的稳定性) 。虽然地壳相对运动出现偏离稳定线性12趋势的量与其相对运动总量相比很小,但也是 检测到的(江在森等, 2009, 2013) 。板块运动的增强,有可能引起大区域强震活动增强(李延兴等,2011) 。(d)在未发生地震时活动地块边界处于锁定(即无蠕动)状态比较普遍,震前长期活动地块边缘的变形与发生强震时的变形恰好相反,地壳相对运动引起弹性应变积累与震时弹性应变释放的基本反向与“弹性回跳”说相符(吴云等, 2001;江在森等;2003, 2005, 2006) 。但由于 测因时段较短所获得的地壳变形不能代表长期应变积累的变形分布,就可能同震变形不对应, 这可能是孕震晚期地壳弹性变形趋于极限表现出的异常状态(江在森等,2009) 。(e)地震破裂引起的形变场范围随着震级增大而增大,巨大地震影响场和震后调整可涉及很大的空间范围。既受相关构造带的控制,又可跨越多个构造带。巨大地震孕育过程可能涉及更大的范围(王敏等,2005,江在森等,2005) 。因而,大地震的孕育过程也会涉及很大的范围。(f)大地震通常发生在数年以上的与构造变形背景相一致的大尺度水平应变率场高值区,或地壳运动受阻地带显示的高应变率区边缘。昆仑山口西 、汶川 等地震震例表明,以走滑为主的大地震可能发生在与断层走滑错动相应的大尺度剪应变的高值区,以逆冲为主的大地震在可能发生在相应方向大尺度挤压应变的高值区或其边缘(江在森等, 2003, 2006;武艳强等, 2011) 。(g)续观测结果显示,大地震前大尺度地壳相对运动增强,而跨发震构造一定尺度相对运动可能减缓,可能反映正常相对运动“受阻”或是在大尺度构造动力加载增强状态下,可能存在发震断层近震源区弹性变形逐步趋于极限状态且向外扩展(江在森等,2006, 2007, 2009, 2013;武艳强等, 2011) 。(2)区域水准网复测反映的地壳垂直运动与形变场在我国区域水准网资料积累时间较长,长期以来在我国强震危险区预测中发挥了重要作用,但由于近些年来由于复测周期延长、复测资料减少,其发挥的作用也有所降低。(a)地壳垂直运动在时间过程不如水平运动那样稳定,长趋势以山地上升、盆地下沉的继承运动为主,但几年尺度的动态变化存在继承运动与逆继承运动的交替变化,且与区域地震群体活动涨落有一定的呼应关系(江在森等,1997,2001) 。据此曾推测南北地震带地区可能在 2007 年左右进入下一次较强地震活跃时段(地震大形势跟踪研究专家组,2004) 。(b)长期以来强震往往发生在地壳差异运动显著的垂直运动速率高梯度带(或有
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