Stuart Crampin

(B ritish Geological Survey,M urchison House,Westm ains Road,Edinburgh EH9 3LA,U.K.)

關(guān)于“可操作性地震預(yù)報(bào):有關(guān)‘為什么’和‘怎么辦’的幾點(diǎn)思考”的另一種見解＊

Stuart Crampin

(B ritish Geological Survey,M urchison House,Westm ains Road,Edinburgh EH9 3LA,U.K.)

2009年4月6日,意大利拉奎拉(L’Aquila)發(fā)生MW6.3地震,造成意大利中部308人死亡。地震后,意大利政府召集了一次國(guó)際地震預(yù)報(bào)委員會(huì)(ICEF)會(huì)議。在近期出版的《地震研究快報(bào)》(Seismological Research Letters)“見解”欄目中,Thomas H Jordan和Lucilem Jones[1]對(duì)該委員會(huì)有關(guān)可操作性地震預(yù)報(bào)的結(jié)論與建議進(jìn)行了討論(見《國(guó)際地震動(dòng)態(tài)》2010年第10期譯文:可操作性地震預(yù)報(bào):有關(guān)“為什么”和“怎么辦”的幾點(diǎn)思考——譯者注)?！翱刹僮餍缘卣痤A(yù)報(bào)的目標(biāo)就是向公眾提供地震危險(xiǎn)性信息,用于在潛在破壞性地震來臨之前作出決策”,在此,“有效利用概率預(yù)測(cè)所面臨的一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的突出問題就是將概率預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)化為低概率環(huán)境下的決策”(ICEF報(bào)告摘要,文獻(xiàn)[2])。

ICEF報(bào)告的言下之意就是地震不能明確預(yù)測(cè),因此,可能做到的只是概率地震(低概率)預(yù)測(cè)。本文對(duì)此提出了“另一種見解”,并討論了對(duì)流體-巖石變形的新認(rèn)識(shí),這種新認(rèn)識(shí)可以為確定性地震“應(yīng)力預(yù)測(cè)”提供機(jī)會(huì),從而排除了“頗具挑戰(zhàn)性的突出問題”。確定性預(yù)測(cè)的確可以在高概率環(huán)境下進(jìn)行,這一點(diǎn)改變了ICEF報(bào)告中所強(qiáng)調(diào)的觀點(diǎn)。

1 流體-巖石變形監(jiān)測(cè)與地震應(yīng)力預(yù)測(cè)

剪切波分裂(地震雙折射)能夠反映沿射線路徑隨應(yīng)力分布定向排列、充滿液體的微裂隙形狀。充滿液體的微裂隙容易受環(huán)境變化的影響,以致巖石抗剪切能力較弱。因此,所有大地震前必然的應(yīng)力積累肯定會(huì)在巨大的巖石體積(必定相當(dāng)于板塊體積,也可能相當(dāng)于地球體積)中逐步增大[3]。對(duì)流體-巖石變形的新認(rèn)識(shí)[4-6]就是,可以通過分析即將來臨的地震的震源區(qū)周圍大體積中的剪切波分裂來對(duì)大震前的應(yīng)力積累進(jìn)行監(jiān)測(cè)。利用持續(xù)發(fā)生的小震群上方記錄到的剪切波,已經(jīng)觀測(cè)到了大(或較大)地震前的應(yīng)力變化,從而“回顧性預(yù)測(cè)了”即將來臨的地震的時(shí)間和震級(jí),在某些情況下還可能預(yù)測(cè)其地點(diǎn)。這種回顧性預(yù)測(cè)的實(shí)例有15個(gè),另外還有1個(gè)由在線數(shù)據(jù)分析得到的實(shí)時(shí)應(yīng)力預(yù)測(cè)的成功實(shí)例(這一過程被稱為地震應(yīng)力預(yù)測(cè),而不是地震預(yù)測(cè)或地震預(yù)報(bào),以強(qiáng)調(diào)所采用的形式不同)。無一例外:只要有適當(dāng)?shù)恼鹪?檢波器剪切波記錄,就會(huì)觀測(cè)到大震前廣泛分布的應(yīng)力積累。

表1匯總了有關(guān)流體-巖石變形新認(rèn)識(shí)的證據(jù)。應(yīng)力積累監(jiān)測(cè)中有兩個(gè)關(guān)鍵的現(xiàn)象:

(1)原地巖石的最具依從性的成分就是存在于地殼的大部分巖石中隨應(yīng)力分布定向排列并充滿液體的微裂隙。應(yīng)力變化可以改變微裂隙形狀,而通過剪切波分裂的變化可以監(jiān)測(cè)到應(yīng)力變化。廣泛的剪切波分裂觀測(cè)結(jié)果顯示,這種隨應(yīng)力分布定向排列的微裂隙遍布地殼內(nèi)幾乎所有的火成巖、變質(zhì)巖和沉積巖。

(2)剪切波分裂的延遲時(shí)間(Δt)對(duì)于沿射線路徑的微裂隙形狀的低水平變化非常敏感。因此,地震前低水平應(yīng)力變化可以通過分析剪切波分裂變化來監(jiān)測(cè)。

表2匯總了地震前的應(yīng)力變化行為。隨著應(yīng)力的積累,微裂隙幾何狀態(tài)在失去抗剪強(qiáng)度的地方趨近破裂臨界水平,微裂隙開始向最終斷層破裂處聚結(jié)[6]。逐步增大的應(yīng)力積累突然停止。此時(shí)便出現(xiàn)應(yīng)力松弛,延遲時(shí)間減小,直至即將來臨的地震發(fā)生——無論其震級(jí)如何,地震都發(fā)生在特征應(yīng)力水平很低(2～4m Pa)的情況下。正如預(yù)期,應(yīng)力積累增大和裂隙貫通減小的天數(shù)中持續(xù)時(shí)間的對(duì)數(shù)各自都與地震震級(jí)成正比(自相似)。

表1 流體-巖石變形新認(rèn)識(shí)的證據(jù)匯總＊

流體-巖石變形的這一新認(rèn)識(shí)(表1)對(duì)于地震前應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)(表2)有著重要的啟示意義,因而對(duì)于ICEF報(bào)告中的可操作性地震預(yù)報(bào)[1-2]也有著重要的啟示意義。應(yīng)該注意的是,這一新認(rèn)識(shí)產(chǎn)生的時(shí)間比較短,還沒有被普遍接受,但表1中匯總的證據(jù)卻是不容置疑的。遺憾的是,許多地球科學(xué)家不愿接受表1中所列證據(jù)的含義,即地殼是一個(gè)具有依從性的、裂隙誘導(dǎo)的臨界系統(tǒng),這一臨界系統(tǒng)蘊(yùn)含著表1中所列的全新特性。

2 剪切波分裂(SWS)與微裂隙臨界系統(tǒng)

地震學(xué)是探測(cè)地球的地下狀況的調(diào)研工具,地震學(xué)研究大都利用地震P波來進(jìn)行分析。隨應(yīng)力分布定向排列、充滿液體的微裂隙無處不在,這種微裂隙之所以沒有被及早認(rèn)可,原因是P波對(duì)定向排列并充滿液體的微裂隙不太敏感(雖然它對(duì)許多現(xiàn)象都很敏感),但相比之下,SWS的延遲時(shí)間和偏振完全受控于微裂隙幾何形狀。因此,由于微裂隙幾何形狀對(duì)原地應(yīng)力敏感,所以剪切波分裂監(jiān)測(cè)的就是地震前應(yīng)力誘發(fā)的微裂隙幾何形狀的變化(表2)。

表2 地震前的應(yīng)力變化行為總匯

表3簡(jiǎn)要列出了觀察和測(cè)定SWS所需的特殊條件。當(dāng)這些條件都得到滿足的時(shí)候,可以普遍觀測(cè)到隨應(yīng)力分布定向排列的SWS(測(cè)定SWS是非常困難的事情,這無疑就是對(duì)流體-巖石變形的新認(rèn)識(shí)接受得較慢的原因)。觀測(cè)到的SWS表明,在幾乎所有的火成巖、變質(zhì)巖和沉積巖中隨應(yīng)力分布定向排列、充滿液體的微裂隙非常密集,以至于瀕于破裂,因此可稱其為臨界系統(tǒng)[5-6]。臨界系統(tǒng)(也被稱為復(fù)雜系統(tǒng)[7])是物理學(xué)中的一個(gè)新興學(xué)科,因而也是地球物理學(xué)中的一個(gè)新興學(xué)科[4],它給從前的亞臨界物理學(xué)(和地球物理學(xué))賦予了許多全新的特性。這些特性包括:可監(jiān)測(cè)性、可計(jì)算性、可預(yù)測(cè)性、甚至在某些情況下的可控性、普適性,以及對(duì)初始條件的極度(“蝴蝶效應(yīng)”)敏感性[7-8]。在地殼中已經(jīng)識(shí)別出這些新特性的實(shí)例[5-6],這些實(shí)例對(duì)于應(yīng)力積累模式、震源狀態(tài)、地震應(yīng)力預(yù)測(cè)以及ICEF報(bào)告而言都有著深刻的含義。

表3 觀察和測(cè)定剪切波分裂所需的條件

促成極度敏感性的一個(gè)重要因素是,剪切波分裂是剪切波特性隨方向的變化而產(chǎn)生邊際變異的一個(gè)二階現(xiàn)象。然而,如果旋轉(zhuǎn)三分量地震記錄,使其產(chǎn)生首選的剪切波分裂偏振,那么剪切波波至即被分離,我們也可以頻繁讀取分裂剪切波之間一階精度的波至?xí)r間和延遲時(shí)間(Δt)數(shù)據(jù)。讀取到一個(gè)擁有一階精度的二階量就可以達(dá)到前所未有的精度水平——遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大多數(shù)地震觀測(cè)水平。

3 變化條件下微裂隙的演化

微裂隙幾何形狀隨應(yīng)力變化的演化可根據(jù)裂隙巖體演化的各向異性孔隙彈性(APE)理論來進(jìn)行模擬(見文獻(xiàn)[6]中的評(píng)述)。A PE模擬適合地震學(xué)研究和地震勘探中約20種不同的現(xiàn)象和不計(jì)其數(shù)的震源-接收器射線路徑。充滿液體的微裂隙臨界系統(tǒng)隱含于成功的APE模擬之中。

臨界系統(tǒng)極其常見,它包括天氣、地震的發(fā)生(由古登堡-里克特線性關(guān)系表示)、紐約證券交易所、果蠅的生命周期,以及從量子力學(xué)到恒星輻射等各種各樣的物理現(xiàn)象。所有復(fù)雜的異構(gòu)、交互系統(tǒng)都是臨界系統(tǒng),那么具有典型的復(fù)雜、異構(gòu)、交互現(xiàn)象特征的地球必定是一個(gè)賦予傳統(tǒng)的亞臨界地球物理學(xué)以全新特性的臨界系統(tǒng)。

4 地震防備

過去的地震分析大都聚焦在震源區(qū),或許這是可以理解的。線性的古登堡-里克特關(guān)系表明地震是臨界現(xiàn)象。這就意味著,雖然通過調(diào)整輸入?yún)?shù)可以對(duì)地震機(jī)制進(jìn)行非常精確的模擬,但這種模擬是不可重復(fù)的,因?yàn)樗P(guān)鍵取決于這些輸入?yún)?shù)的細(xì)微差別。因此,對(duì)地震事件不可能進(jìn)行可靠的或重復(fù)性的模擬。然而,所有大地震前都有一個(gè)特征現(xiàn)象,即需要積累大量的應(yīng)力以供地震中釋放。由于巖石抗剪切能力較弱,所以這種應(yīng)力必須在巨大的原地巖石體積中積聚。因此,應(yīng)力積累可由Δt的變化來監(jiān)測(cè),這些變化可發(fā)生在震源周圍巨大的受力巖體中的幾乎任何地方[6]。

除了每天兩次海洋潮和固體潮的變化之外,構(gòu)造應(yīng)力的變化主要源自交互俯沖過程、巖漿的生成和構(gòu)造板塊邊界處的轉(zhuǎn)換斷層作用。表2概括了大震前的應(yīng)力演化狀況。

由應(yīng)力誘發(fā)的這些SWS變化不是通常字面意義上的地震前兆。它們監(jiān)測(cè)的是原地巖石上應(yīng)力積累和應(yīng)力松弛的基本過程,這些過程也就是引發(fā)地震的潛在機(jī)制[6]。

5 對(duì)意大利可操作性地震預(yù)報(bào)的啟示

ICEF報(bào)告中一個(gè)潛在的假設(shè)就是可操作性地震預(yù)報(bào)將在“低概率環(huán)境”下開展[2]。本文所提出的另一種見解表明,如果有適當(dāng)?shù)募羟胁☉?yīng)力監(jiān)測(cè)臺(tái)站,那么根據(jù)應(yīng)力變化對(duì)時(shí)間、震級(jí)、(在某些情況下)甚至地點(diǎn)所作的預(yù)測(cè)可以達(dá)到高概率水平。由此便將可操作性地震預(yù)報(bào)從低概率環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒怕虱h(huán)境。在某些情況下,這種預(yù)測(cè)會(huì)減少警報(bào)次數(shù)并降低隨之而來的減災(zāi)費(fèi)用;其他情況下,它還可以為警報(bào)提供正當(dāng)理由,并證明有必要為采取預(yù)防措施付出成本。

遺憾的是,適合用作剪切波的應(yīng)力測(cè)定臺(tái)站的持續(xù)性小震群非常罕見。惟有在冰島,大西洋中脊的轉(zhuǎn)換斷層延伸至陸上,所以這里可以提供由一個(gè)一流地震臺(tái)網(wǎng)記錄到的可利用的持續(xù)性地震活動(dòng)。因此,對(duì)SWS的最新認(rèn)識(shí)大都源自對(duì)來自冰島的地震數(shù)據(jù)的分析[5-6]。

冰島以外的常規(guī)應(yīng)力預(yù)測(cè)通常需要在三井孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)(SM S)對(duì)近地表風(fēng)化和應(yīng)力釋放異常區(qū)下方剪切波的受控震源進(jìn)行測(cè)定[9]。一個(gè)最理想的SM S可能會(huì)包含一個(gè)應(yīng)力導(dǎo)向的井孔等腰三角形,井孔偏移距在200～300m之間,孔源深度為1000m,它以適當(dāng)?shù)娜肷浣嵌认蛏疃仍?000～1700m之間的一連串井中檢波器傳遞剪切波。沿這些射線路徑的SWSΔt對(duì)裂隙縱橫比特別敏感,因而對(duì)構(gòu)造應(yīng)力變化也特別敏感。

冰島北部的典型SM S對(duì)兩個(gè)井孔之間500m深度處水平傳播的SWS進(jìn)行記錄,兩井孔的偏移距為350m。在兩周的實(shí)驗(yàn)中,剪切波源,即井下軌道式振動(dòng)器(DOV)[10],以每分鐘2～4次的速率產(chǎn)生4萬次脈動(dòng),但不會(huì)改變波形或損壞井壁[8]。震源-接收器的幾何條件并不是最理想的,但記錄卻顯示出對(duì)地震誘發(fā)應(yīng)力變化的極度敏感性,這些應(yīng)力變化與發(fā)生在70 km以外的鄰近轉(zhuǎn)換斷層上的低水平地震活動(dòng)相關(guān),其能量相當(dāng)于一次M=～3.5地震[8]。這種敏感性出現(xiàn)在數(shù)百倍于常規(guī)震源規(guī)模的距離之外,說明隨應(yīng)力分布定向排列、充滿液體的微裂隙臨界系統(tǒng)表現(xiàn)出了我們所預(yù)期的極高度敏感性。假定在所有地震的震源處都能觀測(cè)到類似的應(yīng)力-能量聚集,那么監(jiān)測(cè)點(diǎn)SM S就可以根據(jù)應(yīng)力變化預(yù)測(cè)距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000 km的一次M=5地震,并且還可以預(yù)測(cè)板塊內(nèi)任何地方發(fā)生的更大震級(jí)的地震[3]。

這就意味著,意大利中部(比如說拉奎拉附近)一個(gè)單一的三井孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)SMS與意大利任何地方(包括西西里島)相距不能超過～600 km,而且原則上能夠識(shí)別出應(yīng)力積累,并對(duì)意大利境內(nèi)所有M≥5地震和SM S附近的小地震事件作出應(yīng)力預(yù)測(cè)。在距離為600 km的情況下,一次M=5地震事件的SM S信號(hào)往往會(huì)很嘈雜,此時(shí),最可取的方案可能就是有兩三個(gè)等距離的三井孔SM S監(jiān)測(cè)站縱貫于意大利下方。

在一個(gè)三井孔SMS觀測(cè)到的應(yīng)力積累和裂隙貫通可能會(huì)由延遲時(shí)間的增大和減小反映出即將來臨地震的震級(jí),并由應(yīng)力積累達(dá)到破裂臨界狀態(tài)的水平反映出地震發(fā)生的時(shí)間。就目前我們對(duì)這一現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)而言,單一的SM S觀測(cè)結(jié)果尚不能表明即將來臨的地震事件的地點(diǎn)(斷層破裂位置)。SM S臺(tái)陣(如文獻(xiàn)[11]所述)可能會(huì)提供震中或破裂位置的某些跡象?？傊?要知道一次大地震正在迫近就必須對(duì)其他前兆現(xiàn)象作出切合實(shí)際的解釋。因此,冰島那次成功應(yīng)力預(yù)測(cè)的M=5地震的斷層破裂位置[12-13]就是根據(jù)6個(gè)月前一次M=5.1地震斷層面上的持續(xù)地震活動(dòng)估算出來的。

本文的結(jié)論是,一個(gè)或多個(gè)三井孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)或許可以根據(jù)應(yīng)力變化來預(yù)測(cè)意大利所有破壞性地震(比如M≥5地震)的時(shí)間、震級(jí),抑或破裂位置,并提供高概率——而不是低概率——環(huán)境下的可操作性地震預(yù)報(bào)。

譯自:Seismological Research Letters,March/April 2011,Vol.82:227-230

原題:A second opinion on“Operational earthquake forecasting:Some thoughts on why and how,”by Thomas H.Jordan and Lucilem.Jones

(中國(guó)地震局地球物理研究所 左玉玲 譯)

(譯者電子信箱,左玉玲:yulingzuo@yahoo.com.cn)

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