“大地震孕育机制及其物理预测方法”学术沙龙报道之三

－尹祥础研究员的“加卸载响应比法”―钱学森评价：方法方向对头。

本篇介绍尹祥础研究员的报告。并对他以创新思维提出、经二十多年实践考验的“加卸载响应比理论”预测地震的效果及发展前途加以介绍。

尹祥础研究员1935年生，1956年毕业于清华大学机械工程学系，1958年毕业于清华大学，中国科学院合办第一届工程力学研究班。1984年开始创建地震预测的加卸载响应比（LURR）理论。该理论已成功地预报了1994年1月17日美国洛杉矶地震､1996年9月11日日本关东6.6级地震､1996年2月3日云南丽江7级地震，和2015.4.25的尼泊尔Ms8.1级大地震等（中期预测）。2004-2007年发生在中国大陆资料达标地区的M_L≥5地震中，90%落入用LURR预测的区域内。

解决地震预报科学难题的根本出路在于从经验性预报转变为物理性预报。尹祥础及其同事以新思维开拓了地震物理预报的探索之路。

通过提高监测数据的密度和质量，预测的精度会进一步提高，逐步达到地震预报对时、空、强三要素的精确性要求。

下面介绍尹祥础研究员的报告。

（三）尹祥础：很高兴有这样一个机会跟大家交流一下我们做的一些工作，我的题目是加卸载响应比LURR一种新的物理预测方法。

地震是非常复杂的现象，因为复杂，甚至有人提出不能预测。但是从物理或者从力学上看，我觉得地震物理实质很清楚，地震是地壳块体的快速剪切断裂，并释放能量的过程。现在的地震学可以把地震矩张量测的很清楚，矩震级Mw=uDS。这一点无论是地质学家还是力学家基本都一致，没有太多争论。

地震本质是地壳块体的剪切断裂，怎么才能断裂？从力学上讲，是一步一步逐步损伤导致断裂。誏我们做一个岩石的压缩破坏试验，如果加载的话，试件慢慢缩短，最后断裂。缩短这个过程实际上内部发生了损伤。起初是弥漫性的，逐渐集中，形成一个损伤的集中区。这样损伤的过程就是地震的孕育过程。

图1.岩样破坏过程中内部损伤逐渐集中，形成损伤集中区后破坏。

损伤力学到现在为止虽然发展了半个世纪，怎样测量地壳情况下地震损伤没有解决，我们换一个思路，在力学里，对一个新的材料或新的构件讨论其力学特性，最拿手的是应力-应变曲线。它从弹性到损伤的到失稳的。我们现在考虑做实验过程中，载荷加一下、减一下，即加载和卸载实验，可以发现新的现象。在弹性阶段，加载和卸载的变形模量是一样的，到了损伤以后，这两个斜率就不一样了。

图2.岩石加载进入损伤阶段，加、卸载的模量随接近失稳点差别越来越大。

我们虽然测不出一个完整的曲线来，但如果知道某一个块体在加载、卸载过程中表示出来的模量不一样，就反映出来这个介质和这个块体的损伤的程度。也就是说在应力-应变曲线上，加载和卸载模量不同这种差异，反映材料损伤程度。我们现在直接测模量还不行，还得用其他的量来测量加载和卸载时某些量的变化、差别，用它的比值叫加卸载响应比，引进这样一个参数。用这样一个参数反映地壳块体受损伤程度，进一步希望作为地震预报的工具。

这样一个概念我们是上个世纪80年代时提出来的，经过一段时间的震例检验等工作，起初觉得很有成效，地震预测所每年要一本《预测研究》，作为所里总报告。报告中有一段，以落在加卸载响应比预测区内的地震数与中国大陆监测能力较高地区内发生的5.0级以上地震数之比作为预测效果检验指标，2004-2007年连续4年里，平均检验指标为95%。这个报告是2008年写的，2008没这么好的结果了，2008中国大陆的地震形势风云突变，逼得我们去进一步深入探讨一些问题。

我们和中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室(LNM)合作，申请两期国家自然基金重点项目，做了大量的基础研究，这在探讨机理，认识物理本质方面很有帮助。首先是在LNM开放实验室里，另外我们组织两项国际合作，还做了数字模拟等。工作量很大。

我们最大的试件是1.05米，小一些的试件是30多公分，还有更小的。总的实验数目，整个大课题超过800个试件。然后还有数字模拟和理论分析。

图3.岩石压裂实验中采用的不同材料和尺寸的岩石试件

大量基础研究的结果：发现加卸载响应比在大地震以前的演化规律。这里涉及了一个“量”、一个“点”，量就是孕震积分，“点”就是峰值点。用这样一个量、一个点来衡量加卸载响异常的程度。

图4.加卸载响应比在实验研究、数值模拟、细观损伤力学研究中得出重要结果

请看一个地震实例，Y值起初在一个水平线上涨落，然后升高，升高到最高点我们叫峰值点。地震并不在这个时候发生，而是在延迟时间T₂后发生，所以峰值点很重要。峰值点以后，就是延迟时间和震级相关。比如5级地震，时间大概是5个月加减2个月，6级地震是4加减2。峰值点出现以后，地震以月为单位，峰值点很重要，既是理论上的转折点，又是地震预测的抓手。

图5.不同研究方法得到的非均匀脆性介质中灾变前加卸载响应比（LURR）的演化规律。

后来发现这个规律大致上是对的，但是有些情况下不一样。发现特别是地震活跃区，往往实际等待时间比T₂要小。这时候我们想到怎么样把更多地球物理参数引进去，要和量纲分析结合起来。我们引入两个量发现效果很好，未来把这些参数都测出来以后，就可以预测震级和延迟时间。而且我们知道峰值点的时间，这样地震的震级、发生时间都定了，发生地点是加卸载响应异常区域。

图6.由加卸载响应异常区域大小、异常时间、峰值点时间，预测地震的震级、地点和发生时间。

从2008年我们开始做这项工作，一直到2011年，大致上程序、理论上的考虑完成，从这以后我们预测了三个地震，哈密、郯庐、内蒙，哈密是差十几天。这三个地震都是小的，5级多。

图7. 加卸载响应比预测新疆哈密M5.4地震的效果

从2006年开始，发现从广东、广西到西藏，包括四川，云南，北面到青海，还包括相邻国家的边界地区。这样一大片地区线尺度达到3000公里，我们叫泛西南，时间超过10年，一直存在这样的异常，我们提出来在泛西南地区一个超大地震正在孕育中。在这种情况下，我们向中国地震局领导汇报，据不完全统计至少在20多次会议上报告了我们的预测。

图8.根据大西南地区超大尺度的LURR异常，预测该地区将发生M7.9～M9.3大地震，时间在2013年6月至2017年8月。

2015年4月25日，在中尼边境尼泊尔一侧发生M8.1大地震。

图9. 尼泊尔M8.1大地震及余震分布图

问题是尼泊尔M8.1大地震后，“泛西南”地区的加卸载响应比异常不仅没有消退反而明显增强。表明该区域地壳积累的能量仍然在增大，意味着该地区的地震危险性仍在上升，虽然已经发生了M8.1地震，但强度和M8.1可比较的地震，甚至更大的地震可能要来临。

我们预测超大地震还缺乏经验。以上的结果在细节上肯定有其不确定性。但无论是将泛西南地区作为一个整体，还是分成3个子区域研究，该区域未来的地震危险性都是很高的，值得有关方面重视！！！

谢谢各位！

附：钱学森对尹祥础“加卸载响应比”方法的评价

尹祥础的“加卸载响应比”方法在国际地震预报探索领域处于领先地位、为国内外学者普遍认可。

1992年，为了尝试加卸载响应比对国外地震的预报能力，尹祥础向USGS索取美国地震资料。1993年春，美国同行寄来了加利福尼亚州从20世纪70年代至1992年7月的详细地震目录。在仔细研究分析之后，1993年10月28日，尹祥础将结果寄给美国同行，但他没有立即得到回信，他的预报结果未受到美国人重视。1994年1月17日洛杉矶发生M6.6级地震。此时，美国同行才记起尹祥础的信中清楚地写着：“从现在起，在未来一年内，在SA6（洛杉矶附近）等区域内发生6-7级地震可能性很大”。震后，美国同行回信中说：“我相信您对此次成功的预报一定欣喜万分！”

根据日本同行提供的地震目录，尹祥础在1996年5月预测关东地区在未来1～2年内将发生6～7级地震，四个月后，9月11日，关东地区发生M6.6级地震。

我国地震灾害严重，国民对实现地震预报抱有期望。但地震究竟能否被预测、预报，在学界也一直没有共识。学界缺乏共识使高层难以决策，地震减灾事业的发展受到影响。

钱学森是我国著名科学家，对重大前瞻科学问题有明晰的思路，他对我国科学事业作出的重大贡献，让大家对他的分析有充分的信任。

下面是钱学森一封谈论地震预报的信¹⁾，信中有他对地震预报的态度、地震预报研究科学上应从何着手、要注意什么问题等文字，从中我们可以领悟到科学大家对重大前瞻科学问题探索的思路。

从信中我们首先看到钱老虽不是地震工作者，但对周总理指示我国科技工作者要下力气解决地震预报问题的交待一直牢记在心！

二是钱老明确指出：“正确解决地震学的理论是个力学应用问题。”就是说，找寻地震孕育、发生规律并发现有效的监测手段要从力学应用着手，不能局限在地震学单一学科中。

三是指出：即便地壳运动从地质纪年看是混沌现象，但地震学注意单个事件，有“微观”性质。所以地震学不是用混沌理论的。――看来，钱老当时已注意到在地震预报探索研究中，国际上已出现声称“地震是一种混沌现象”因而认为“地震预报不可能”的错误认识。

果然，一年后，盖勒等几位地震学家在《自然》和《科学》上联合撰文，称预报发生在处于自组织临界、混沌状态地层中的地震是不可能的。这种科学上并不正确的认识让地震预报探索陷入低谷。

四是指出：基于岩石加载破裂力学试验的“加卸载响应比”方法方向对头，已经过实践验证，但需要逐步完善。方法的完善要参考前人及同代人的地震学工作，共同探索攻关。

五是指出：要用现代观测手段，要注意地壳运动和地球动力学研究成果。

尹祥础十分清楚，他的工作远未完成。目前的工作只是实现地震预报的第一步，要满足地震预报发布的实际需要，三要素的预测精度还需进一步提高。

年过八十的尹祥础还有和“加卸载响应比”密切相关的两项工作没有完成：加卸载潮汐应力全球海潮校正和全球各区域震源机制解的搜集和数据挖掘工作。

作为世界大国，我国的发展一定要造福世界人民。“加卸载响应比”法有帮助世界各国人民尽力摆脱地震灾害的能力。具有这种能力是中华民族伟大复兴的重要标志之一。

我国地震预报实践，初期处于经验性预报阶段，既有海城的成功、难免唐山的失败。成功的地震预报，必须从经验性预报提升到物理性预报。尹祥础的“加卸载响应比”法正是国际上率先将地震预报带入物理性预报的开创性工作。地震预报这个国际公认的科学难关，在我们各方的努力攻关下，必将被攻克。

池顺良

2016年12月3日星期六

注：

1）引自《钱学森.2008, 钱学森书信选,1031页,北京: 国防工业出版社》