强震孕育遵循基本力学规律　预测之难并非无解

——访中国科学院地质与地球物理研究所研究员秦四清

作者:李吉亮 胡魁元

　　大地震具有突发性、强烈破坏性和难以预测性等特点，常给人类带来沉重的灾难和巨大的经济损失。无情的大地震激发着人们不断地对地震的成因及其预测进行探索与研究。自19世纪70年代后期现代地震学创立以来，地震预测便一直是公认的世界性科学难题。

　　唐山、汶川和玉树地震，是国人永恒的痛。而对于中科院地质与地球物理研究所的秦四清来说，更是如此。然而今天，当再次面对“大地震是否可以预测”这样的问题时，秦四清的回答却显得坚定又自信：“我们的研究表明，虽然大地震和特大地震的孕育过程千差万别且十分复杂，但它们的孕育过程仍遵循着一个基本、确定乃至简单的力学规律，大地震是可以预测的。”

　　触类旁通 灵光闪现

　　从上世纪90年代起，秦四清就一直致力于滑坡和地震的预测研究工作。然而十多年过去了，对于滑坡和地震的机理仍未取得突破性进展。

　　直到2009年7月，在和朋友去散心的途中，秦四清突然想明白了困扰他多年的难题。

　　秦四清立即停止散心，匆匆返回工作室，很快，秦四清等人一举突破了滑坡和地震的形成机理。一通百通，自此，他们的研究工作开始不断取得实质性进展。

　　从2010年5月开始，秦四清基本摸清了地震孕育过程的共性规律，并开始着手进行理论验证工作。根据这一规律，从黑龙江、华北、华南一直到台湾、甘肃、青海、宁夏等省份和地区所发生的大大小小的地震，无一不验证了秦四清的理论的正确性。“只要找到地震孕育的共性规律，地震难以预报的时代就将结束。”秦四清颇有底气地说道。

　　秦四清最初并不是研究地震，而是研究滑坡与崩塌预测理论的。他在研究滑坡与崩塌预测理论的过程中，发现了一个共性的规律，将之用于地震与岩爆预测都取得了很好的预测效果。通过对40个崩滑、70个地震、5个岩爆实例的验证，表明地质体的破坏都遵循这个统一规律。

　　“地震像室内岩样加载破裂过程一样，在岩石变形到膨胀点时，微破裂会向未来的主破裂面丛集，出现震群，震群是唯一的大地震活动性前兆，建立了震群与未来大震的力学联系，大震预测问题也就迎刃而解了。”秦四清解释道。

　　2010年4月14日的青海玉树地震，在大震发生两小时前，有一个4.7级的地震发生，根据秦四清建立的“孕震断层多锁固段脆性破裂理论”，可准确判定该事件发生后孕震系统已接近临界点，可作出临震预报，就能够将地震损失尽量降低。

　　最后一个锁固段破坏之后主震将发生

　　“大自然法则都是有规律可循的，地震灾害当然也不例外。”在传统理论遭遇瓶颈、人们对地震预测的前景表示担忧的时候，秦四清却信心满满。

　　秦四清指出，地震源自于沿断层的滑动，断层的运动模式和相关的地震活动性受断层中一个或多个锁固段所控制。“锁固段”可定义为在断层面上具有较高强度且在地震中释放较大地震矩的部位。

　　锁固体变形到膨胀点时，会出现微破裂丛集，震群发生，在位移（应变）—时间曲线上则会表现出位移加速现象，该现象对应地震目录的一个中级事件或在短时间内在同一区域的地震活动性加速事件。

　　秦四清指出，每个锁固段断裂点与加速应变能释放起点的累积的应变之比，有着依赖于锁固段个数的指数律关系。

　　通过相当数量地震实例的回溯性预测分析，表明这一指数律能可靠地应用于中等强度预震和主震的预测。该方法能够在地震的中期、短期以及临震预报方面发挥作用。

　　实际上一个孕震断层可能包含多个锁固段。秦四清以两个锁固段为例作进一步分析。在构造荷载作用下，大量的应变能积聚在锁固段处。假设第一个锁固段的强度低于第二个锁固段，在剪应力集中作用下，在某一应变值时第一个锁固段将破坏。

　　随后，剪应力将施加于第二个锁固段上，以连锁反应的方式导致第二个锁固段破坏。在最后一个锁固段破坏后，主震将发生。失稳点的临界应变与加速应变始点值和锁固段的数目有关，而与锁固段的尺寸和强度无关。表征大地震孕震过程的是一个常数（1.48）。

　　数据表明，累积Benioff应变—时间曲线提供了判断地震活动性的丰富信息。在曲线上一个明显的台阶形状意味着应变速率的迅速增长与一个锁固段的临界破坏和断裂错动过程有关，之后低速的应变增长归于下一个锁固段承载力的施加。在最后一个锁固段破坏前，每一个锁固段的临界破坏—断裂过程表示一个中级或大级别预震的产生过程；在最后一个锁固段破坏之后，主震将发生！

　　经过长达18年坚持不懈地探索，秦四清于2009年7月提出了适用于地震、滑坡、崩塌、岩爆预测的锁固理论，揭示了这些破坏现象的本质机理。

　　从收集到的105个地震实例、40个崩滑实例、5个岩爆实例的验证分析表明，该理论能可靠地用于地质体灾变的失稳预测分析，迄今为止还未发现反例。从他们绘制的曲线图上可以看出，海地与汶川两次大地震都是在锁固段经过加速破裂后但又未破裂完全的情况下发生的，“这说明地震都是有加速性活动前兆的，它是可以更准确地认识和预测的。”秦四清说。

　　地震预测必须强调历史过程

　　通常而言，地震的预测包含四个要素：震中位置、震源深度、发震时间和震级。秦四清根据对大量地震的实例的分析总结，提出了地震四要素的预测方法。

　　首先，因大震前的震群与未来大震都属于同一个锁固体，两者的震中位置相距不会太远，实际预测时可结合震群出现的位置和地震空区，估计未来大地震的震中位置。

　　其次，因震群震源深度的集中范围为未破裂锁固体的深度上下限范围，可根据最近震群震源深度的区间，估计未来大震震源深度的上下限区间。

　　第三，根据对特定地区（带）的地震活动性观测，通过实时更新数据，当累积Benioff应变监测值接近或达到临界失稳应变值时，可认为大地震随时可被适当的扰动触发。根据相当数量的地震实例分析，如果达到临界应变值时，大地震还未发生，则延迟时间一般也不超过4个月。对于震级的预测，秦四清亦在相关论文中给出了详细的计算公式。

　　在2010年6月秦四清发表的研究论文《对孕震断层多锁固段脆性破裂理论的进一步验证及有关科学问题的讨论》中，秦四清就大地震预测的方法与预报的思想提出了具体建议。

　　秦四清认为，对孕震断层明确的区域，可根据地震活动性与控震构造对断层分段，对分段后的活动断层进行地震活动性观测，监测长度为断层带分段长度，宽度范围可根据断层产状和可能的孕震深度综合判定，这样监测范围为一个近似矩形的区域。

　　如果特定孕震构造区内活动断层交叉重叠且难以判定未来主震会发生在哪个活动断裂带上，则可根据震群出现的位置、地震活动性与活动断裂分布、非活动断裂控震边界综合判断，采用圆形、椭圆形或其他闭合形状区域计算Benioff应变。

　　其次，监测时间起点为每一个大地震周期的起点。“由于每个大地震的孕育时间很长，其加速性前兆可能在大地震前数年就已出现，因此对地震的预测必须强调历史过程。”

　　强震孕育遵循能量守恒原理

　　新的事物总是很容易受到否定与质疑，秦四清的理论和方法同样如此。为了从理论和技术层面探讨该方法的适用性，秦四清专门针对地震预报研究中某些有争议的问题进行了讨论。

　　目前国际上围绕地震预测问题的争论，很大程度上与地震的自组织临界性（SOC）模型有关。

　　根据地震的SOC 模型，地震预测被认为是不可能的。Geller等人（1997）认为：“地球是处在一种自组织临界状态上的，其中任何小地震都有可能级联式地发展成一个大地震。这一想法得到除特大地震之外的所有地震的尺度不变性的观测事实的支持。”如果地球总是处于自组织临界状态，那么地震真的不能被预测。

　　但根据秦四清等人的实例分析，在某个锁固段变形到临界破坏（膨胀）—断裂阶段，在此处的地质体处于自组织临界状态；在其断裂后下一个锁固段临界破坏前，系统又脱离了临界状态，其演化过程的自组织临界状态是间断出现的，而不是总处于临界状态。

　　接着，秦四清又对地震孕震过程中存在混沌性进行了驳析。混沌效应是1963年Lorenz在研究大气对流的稳定性时发现的，它的最大特点是对初值的极其敏感性。

　　根据混沌动力学理论，不少学者推断地质系统如斜坡系统、孕震系统在其演化过程中存在着混沌性，因此得到了地质灾害的长期预测是不可能准确的，甚至是不可能预测的结论。

　　然而，秦四清的分析却鲜明地指出，在锁固段开始膨胀前，系统可能有混沌性，其未来的演化路径可能有多种选择；但在其膨胀开始后，除非发生大幅的减载作用，否则系统肯定向失稳态演化，但其失稳时间受控于动力环境条件与触发因素。

　　这说明在所关注的地质体演化到膨胀点后，系统的演化将遵循确定性的规律，不会有混沌现象出现。

　　最后，秦四清谈到了争论的焦点——大地震可以预报吗？“对于含多个锁固段的孕震断层，即使锁固段的数目未知，结合地震活动性观测，我们仍可以利用临界应变准则进行逐步的大地震发生时间与震级大小预测；同时通过动态追踪沿孕震断层的预震活动性区域，推测较大震级预震与主震的发生地点。”秦四清说。

　　尽管从现有技术角度看，地球是不可入的且某些物理参量难以直接测定，但主震前的每次中、小地震活动都是对沿断层面滑动位移的一次测度，Benioff应变是反映深部位移的一个可靠参量，因此可以不去测定地球深部的其他物理细节和指标；再者，在锁固段演化到膨胀点后，孕震系统将遵循确定性的规律，即没有混沌性。

　　因此可以确认，至少在理论上和现有的技术层面上，大地震或特大地震是可以预测的。

　　“世界上最有规律、最按‘规则出牌’的自然现象就是大地震，其孕震过程虽然复杂，但受常数‘1.48’的控制。强震孕育过程遵循着世人公认的能量守恒原理，世界上不存在所谓的孤立型地震。”秦四清说。

　　秦四清等人提出的理论方法可以改进对滑坡和火山喷发等灾害预测问题的理解。一个有趣的发现是，通过分析40个滑坡、崩塌实例的时间和位移曲线，他们提出的方法也能可靠用于滑坡和崩塌灾害的预测。这说明，滑坡、崩塌与地震一样，遵循着统一的失稳演化规律。