「亞失穩」——地震預報新思路

【灼見】

作者：馬瑾（中國科學院院士）

時至今日，地震預測依然是一個久攻難克的課題。地震預測難的原因之一是沒能找到與地震發生有唯一性關係的先兆。中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室亞失穩研究團隊取得的關於亞失穩應力狀態的研究成果，為地震預報研究開啟了一個新方向。

地震是以突發形式表現的構造變形，它發生前有一個由慢變快的物理過程，應該是有先兆的。究竟什麼樣的先兆與地震發生有唯一性關係？事實上，之前的科學家研究了許多地震案例，發現地震前在物理、化學或生物等方面會出現一些異常現象，諸如應變率、地下水、溫度、土壤和空氣中氡濃度、近地表及其上方的電磁、動物行為、地震活動性圖像等的變化。然而，由於對這些現象發生的機理研究不夠，它們與地震之間是否有確鑿關係缺乏說服力。

我們認為，預測預報地震關鍵在於抓住地震前亞失穩階段應力狀態的特點。地震是一個累積應力快速釋放的力學過程，斷層上越來越多部位的應力相繼釋放，應力逐步轉移到局部的高應力閉鎖部位，進而達到斷層動態失穩的條件。亞失穩階段處於應力峰值到失穩時刻之間，是應力由積累為主，轉變為釋放為主的關鍵階段，也是由穩態變形向失穩變形的轉變階段。在此階段，斷層已進入不可逆變形，標誌著地震發生已不可避免，因此它與地震發生有更密切的關係。我們實驗室研究發現，當把研究重點由峰值強度前的應力積累階段轉向峰值後的應力釋放階段，把握應力釋放的關鍵時刻，就可以在實驗室成功預測斷層失穩的發生。

問題在於，在野外很難確定斷層所處應力狀態，也無法識別亞失穩階段。為了尋找亞失穩階段的特徵，亞失穩研究團隊藉助實驗室既能觀測應力狀態的演化，又能同步觀測多種物理場時空演化的有利條件，針對亞失穩階段，從位移場、應變場、聲發射、熱場等方面開展研究。他們用協同化來描述斷層失穩過程，而不同物理量以不同的形式表達出斷層加速協同化是亞失穩階段的標誌。

例如，應變釋放過程包括三個階段：釋放點產生和擴展、新的釋放點的增加以及釋放段的加速聯結。前兩個階段的速度變化只是平穩增加，而第三階段擴展速度是按數量級增加的。應變加速擴展和連接階段就是由准靜態向准動態釋放轉變的時刻開始。假如能夠找到這個時刻，就知道失穩非發生不可了。

又如，從斷層帶升溫過程中也可以看到斷層加速協同化過程。有兩種引起溫度變化的機制：其一是眾所周知的摩擦升溫，其二是體積應變引起的溫度變化，即「擠壓升溫，拉張降溫」規律。亞失穩階段恰巧是兩種溫度變化並存和轉化的階段。在此階段，斷層預滑逐步增大，斷層兩側塊體的應力開始鬆弛。因此，斷層由於摩擦引起升溫，而斷層兩側塊體由於應變釋放引起降溫。亞失穩後期二者溫差加大，清晰可見。

實驗研究為野外識別亞失穩階段打下基礎，初步研究結果顯示斷層上的地震活動也存在加速協同化現象。

地震先兆是有的，問題在於能否被觀測、記錄到？即使觀測到了，又是否能被準確識別？已有的研究是在實驗室簡化條件下進行的，很多因素尚未充分研究；而野外地質構造複雜、載入條件多樣、台站稀少，要達到實驗室觀測水平尚需時日，亞失穩研究從實驗室走向野外尚需經過持續的努力。

（本文據中國科學技術協會第111期新觀點新學說學術沙龍整理，內容有刪節。）

《光明日報》（ 2016年10月21日 13版）

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