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解答关于“地震预测”的某些科学问题

已有 1074 次阅读 2018-8-5 09:55 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 地震预测, 科学问题

 

2018728日,那是炎热的一天,我收到了四川地震局某员工的来信,讨论有关“地震预测”问题,我们已做了回复(见下面)。鉴于TA提出的问题具有一定的共性,可能引起圈内人士的兴趣,为加深对“地震预测”问题的理解、提高公众对地震问题的认知,我把来信(见附录)以及问答分享下,期望略有裨益,也希望能引起深入热烈的讨论。

 

XXX考虑到隐私问题,故隐藏了真实姓名),您好:

很高兴收到您的来信进行学术交流。面对地震预测这一世界性科学难题,学术层面理应“纳百家之言,谋解决之道”。

古人早已有云:“三人行,必有我师焉;择其善者而从之,其不善者而改之。”针对来信中的观点或疑问,我们的回复如下。

 

来信内容(1):“如果我没猜错,当你把岩石力学试验的理论成果应用到地震预报,在你的内心中存在这样的逻辑链:岩石力学试验岩样破裂———滑坡面锁固段岩体失稳———滑坡面多锁固段失稳———滑坡体失稳———断层多锁固段失稳———孕震区发震模式。

从实验室内进行的岩石力学试验,得到的岩样破裂模式和破裂过程是可信的。根据理论推导的峰值强度点和体积膨胀点的应变比值近于常数1.48,也是非常正确的,而且是一个堪称经典的发现。从这些坚实的理论和试验成果,推广到滑坡面上的锁固段破裂,在到多个锁固段破裂导致滑坡体失稳,这些应该都是没什么大问题的。因为滑坡体所处的力学条件与实验室的条件没有太大的偏差。但是,当把岩石力学试验成果推广到断层的多锁固段破裂失稳时,边界约束条件发生了重大的改变。虽然,我也承认滑坡体失稳和地震断层失稳本质上没什么区别,但我强调二者的边界约束条件截然不同,上述逻辑链的后两环有问题。

回复:

1.48在考虑断层中锁固段特征和加载环境基础上,根据严格的理论推导获得的,多数情况下并不适用于室内岩石力学试验。

下面介绍一下我们开展地震预测研究的逻辑链。

无论锁固型岩质滑坡还是天然大地震,本质上都是锁固段(岩石)宏观破裂所致。因此,只有从锁固段(岩石)破裂行为入手,才可能彻底揭示两者灾变过程。在锁固段变形破坏过程中,峰值强度点作为非稳定破裂阶段与峰后阶段的分界点,其物理意义明确,即当外部荷载加载至该特征点时,锁固段将发生宏观破裂,产生具有显著地表破裂带的大地震。若能在峰值强度点之前找到一个普适存在的特征点作为前兆点,并建立两者之间定量关系,则可实现基于前兆点破裂行为对峰值强度点破裂行为的前瞻性物理预测。体积膨胀点作为锁固段稳定破裂阶段与非稳定破裂阶段的分界点,具有如下明显特征,即当外部荷载加载至该特征点时,即使荷载维持恒定不再继续增大,其内部裂纹也会自发扩展演化直至宏观破裂发生。换言之,锁固段若发生宏观破裂,其损伤演化过程必经过体积膨胀点,且在体积膨胀点会发生一个显著地震。综上可知,体积膨胀点可视为锁固段宏观破裂前可识别的普适性前兆点。因此,构建锁固段体积膨胀点与峰值强度点之间的量化力学联系,就成为对锁固段发生宏观破裂进行前瞻性物理预测的关键。

为此,借助重整化群理论和损伤理论,我们最终建立了孕震断层中锁固段体积膨胀点与峰值强度点的力学联系。以单锁固段为例,其峰值强度点和体积膨胀点之间应变比值的理论解为

上述理论公式仅与Weibull分布形状参数m有关,而m值与岩石非均匀性及其加载条件(如应力水平、温度、加载速率等)有关。进一步研究表明,天然锁固段具有大尺度、扁平状的几何特征且承受极其缓慢的剪切应力(应变)加载或应力腐蚀作用,其m值处于低值,此时应变比近似为常数1.48,正是该常数的存在,避免了准确测定深部岩石物理力学参数的困难,使得对地质灾害尤其是大地震的预测成为可能。

然而,需指出的是,在室内常规岩石力学实验中,由于岩样几何形状、尺度等和实验条件与天然锁固段不同,其m值普遍较高,多数情况下应变比并非常数1.48

以上即为我们开展地震预测研究的逻辑链,即:概化出地震预测这一科学问题的本质(锁固段破裂)——找出解决问题的突破点(普适前兆点)——构建理论模型(理论解)——确定理论模型适用性(1.48适用于描述地震,而不适用于室内岩样灾变过程)——回溯性检验与前瞻性预测——总结与完善。

注意,以区域性大断裂围限而成的地震区表征的是一个活动块体(图1),其界定了地震区的地质边界,在同一块体内的断裂和地震是有直接力学联系的,地震区中的锁固段是地震区中积累高能量的构造部位,只能在地震区中以某种方式分布。


图1 地震区与锁固段示意图

(地震区的边界为区域性大断裂)

(1) 岩桥 (2) 断层中未破裂区段 (3) 凹凸体 (4) 次级断层所围限的块体

 

来信内容(2):“首先,岩土工程开展岩石力学试验的目的主要是测试各种岩石力学参数,不是用来观测岩体破裂失稳过程的。因此,当岩样发生破裂之后,一般就停止试验了。从试验中可以观察到岩石从无荷载到铸件加载到峰值强度点直至发生破裂的过程中,岩样的应力-应变之间的关联。对于我们所关心的破裂失稳现象,最特征的过程就是体积膨胀点到峰值强度点之间的非线性变化。但是,地壳岩石,尤其是震源体深部的岩石,不可能在观察到从空载荷逐渐加载到峰值强度点的过程。因为这个过程在漫长的地质历史时期早已完成,现在的地壳岩体应该处于都是处于体积膨胀点之后的阶段。岩爆现象可以作为地壳岩石的应力状态位于体积膨胀点之后的证据。岩爆发生足以说明浅表岩体尚处于峰值强度点附近,更何况深部岩体?所以,我认为,观察断裂失稳的岩石力学试验重点在于岩石体积膨胀点之后的行为,而且要在岩样破裂失稳后继续加载以观察后续多个周期性失稳的特点。

回复:

(Ⅰ)岩土工程开展岩石力学试验的目的主要是测试各种岩石力学参数,不是用来观测岩体破裂失稳过程的。因此,当岩样发生破裂之后,一般就停止试验了。”——我们并不完全认同您的这一说法。

事实上,测试岩石力学参数,仅仅只是岩石力学试验目的之一,研究岩石破裂过程、进而揭示地震机理也是岩石力学试验的重要目的。此外,岩样在峰值强度点发生宏观破裂后,灾变即发生。因此,峰后是否继续开展试验并不影响对灾变点的预测,因为前兆信息在峰前阶段。

地壳岩石,尤其是震源体深部的岩石,不可能在观察到从空载荷逐渐加载到峰值强度点的过程。因为这个过程在漫长的地质历史时期早已完成,现在的地壳岩体应该处于都是处于体积膨胀点之后的阶段。 ——我们并不完全认同您的这一说法。

以唐山地震区为例,该区有近3600年的地震记载,为洞察该区的地震活动性特征与加载模式提供了一个很好的实例,从图2可看出,在经历了长期的演化后,才发生了第一锁固段体积膨胀点标志性事件——1597106日渤海MS7.5地震,这说明在此之前唐山地震区构造加载应力,未达到体积膨胀点。我们推测,某个地震区从某一地震周期开始后,应经历这样一种类似的模式,这是因为上一轮地震周期需经历主震和余震阶段(图3),对地震区施加的构造应力须卸载。


2 唐山地震区公元前1767-2015.11.21之间CBS值与时间(t)关系

(数据分析时选取MS≥5.0Mv=MS5.0)地震;误差修正已被考虑)

(箭头所指为标志性地震)

 


地震区地震周期旋回

我们的研究表明,全球62个地震区当前状态确实均处于某个锁固段体积膨胀点和峰值强度点之间的演化阶段。

我认为,观察断裂失稳的岩石力学试验重点在于岩石体积膨胀点之后的行为,而且要在岩样破裂失稳后继续加载以观察后续多个周期性失稳的特点。”——我们并不完全认同您的这一说法。

如前所述,在峰值强度点发生宏观破裂后,是否继续开展试验并不影响对灾变点的预测,因为前兆信息在峰前阶段。对于单锁固段(单震源体)体系而言,当锁固段在峰值强度点发生宏观破裂后,灾变即发生,此时继续开展峰后阶段实验的意义不大,因为在同一地震周期,峰值强度点处标志性地震不可能是同一锁固段的重复宏观破裂,实际大地震的分布支持我们的认识(按照承载力由低到高的次序,每个锁固段累进性破裂发生地震)。对于多锁固段体系(多震源体)而言,一个锁固段在峰值强度点发生宏观破裂后,应力几乎全部转移到下一个锁固段,使其达到体积膨胀点发生标志性地震,以此类推。当最后一个锁固段发生宏观破裂时,主震发生!我们对全球62个地震区的分析表明,这种理解正确,而过去的“粘滑模型”则不能解释地震的实际表现,应是对地震演化行为的错误概化模型。

过去的室内试验多为单震源体模型,难以模拟地震区多锁固段的真实累进破裂过程,这是以后试验应特别注意的地方。

 

来信内容(3):“其次,观察断裂失稳的岩石力学试验还要采用“等效材料”。普通岩石在地壳构造环境中,受到的加载是及其缓慢且有一定温度压力流体统计的,因此,其力学行为与“岩样”的力学行为是有差异的,表现出一定的塑性特征,应该是弹塑性体。由于实验室内无法模拟自然环境下构造加载,太缓慢了,所以,需要转换为在实验室加载统计下的“等效材料”来试验。如果可以找到这种等效材料,那么试验结果将更有指导意义。

回复:

我们知道,地震锁固段具有大尺度、扁平状的几何特征且承受极其缓慢的剪切应力(应变)加载或应力腐蚀作用,该过程是室内岩石力学实验难以模拟的。因此,要将室内试验结果完全推广应用到地震预测并不可行。换句话说,室内试验只能为探索地震前兆和规律提供线索,但很难用于“实战”。

即使存在所谓的“等效材料”可以综合考虑加载环境等,但如何制作这种材料并界定其等效性同样是一个大难题。

 

来信内容(4):“第三,关于能量守恒原理的应用,我认为有欠妥的地方。从试验的应力-应变曲线得到峰值强度点后破裂释放的应变能与之前积累的应变能相等,所以,用Benioff应变表征断层位移。但是,实际的孕震体中的断裂破裂过程的能量守恒,应该不是这种模式,应该是:孕震体的总应变能=地震释放的应变能+孕震体内未释放的应变能。这种能量守恒模式很像是水库蓄水的形式,总库容=可用库容+死水库容。孕震体可用一次性释放的最大应变能对应于可发生的最大地震,仅占孕震体总应变能的很少的一部分。孕震体中全部可释放的应变能对应地震,可以称为是孕震体的震级上限。可发生的最大地震的震级与孕震体的震级上限是有差距的。

回复:

某个锁固段局部(微元)破裂发生地震时,该微元储存的弹性应变能,以地震波辐射能、断裂能、摩擦热能等形式释放。考虑到某微元完全破裂后,可认为其留存的应变能近似为零。这样,容易理解能量守恒原则的适用性及适用对象问题。由于可假定某一地震区的地震效率h为常量(有文献支撑——Beeler NM. Stress drop with constant, scale independent seismic efficiency and overshoot. Geophysical Research Letters. 2011, 28 (17): 3353-3356),我们理论中的能量守恒原则,指的是地震区弹性应变能积累与释放守恒(主震前为积累,主震与余震为释放;微元弹性应变能地震释放总能=地震波辐射能/h),可以地震波辐射能为参量表述,即:

ET=EM+EA

式中,ET为主震前该地震区积累的弹性应变能,EM为主震本身释放的弹性应变,EA为余震释放的弹性应变能。

能量守恒原则可帮助我们判断标志性地震是否为主震。特定地震区当前地震周期某次标志性地震发生后,令EB表示其发生前该区积累的弹性应变能,EC表示其本身释放的弹性应变能,如果下述关系被满足,即EB>>EC,我们能够判断其不是主震。震例分析表明,上述守恒原则可靠。

 

来信内容(5):“第四,关于孕震区,也就是你的地震区的划分问题。你在最近的3.6版中强调了以深大断裂为边界,这一点也是我在划分地震预报区时遇到的困惑。由于大地震都是沿着块体边界分布的,若以深大断裂(往往都是发震断裂)为界划分孕震区,那么深大断裂上发生的地震究竟属于哪个孕震区呢?我的做法是以块体边界两侧一定范围为一类孕震区,另一类是除边界孕震区之外的区域。

回复:

我们对地震区(图1)内涵的理解为:由区域性大断裂围限形成的断陷或隆升块体,块体内部断裂(地震)活动密切相关,相邻块体(相邻地震区)以剪切或挤压方式影响其加载方式或速率,但不改变各自大地震演化规律。由断裂线(断裂与地面的交线)界定的块体地表区域为地震区,可很好地表征该块体的地震活动性演化规律。

地震区的分界断裂一般不会发生较大事件(这与过去活动块体边界带的概念不同),我们尚未发现正好发生在分界断裂上的地震,这是因为断裂有一定的倾角,发震有一定的深度。对位于地震区分界断裂附近的地震,其震中位于那个区就归属那个区。此外,地震区划分的对不对必须通过定量检验,即对初划地震区的标志性地震孕育过程进行分析,只有当该地震区标志性地震孕育过程、震级与能量关系均符合我们提出的孕震断层多锁固段脆性破裂理论时,才可认为其相应的地震区划分方案是合理的。

如有疑问之处,欢迎继续交流。

 

祝工作顺利

秦四清

中国科学院地质与地球物理研究所

2018.08.04

 

相关文献:

[1]. 秦四清, 徐锡伟, 胡平, . 2010. 孕震断层的多锁固段脆性破裂机制与地震预测新方法的探索. 地球物理学报, 53 (4): 1001-1014.

[2]. 秦四清, 李培, 薛雷,等. 2014. 中国西南地区某些地震区强震孕育周期界定. 地球物理学进展, 29 (4): 1526-1540.

[3]. 秦四清, 李培, 杨百存, . 2016. 环太平洋、大洋海岭与大陆裂谷地震带主要地震区主震事件判识. 地球物理学进展, 31 (2): 574-588.

[4]. 秦四清, 杨百存, 吴晓娲, . 2016. 中国大陆某些地震区主震事件判识(). 地球物理学进展, 31 (1): 115-142.

[5]. 秦四清, 杨百存, 薛雷, . 2016. 欧亚地震带主要地震区主震事件判识. 地球物理学进展, 31 (2): 559-573.

[6]. 吴晓娲, 秦四清, 薛雷,等. 2016. 基于震例探讨大地震的物理机制[J]. 地球物理学报, 59 (10): 3696-3710.

[7]. 杨百存, 秦四清, 薛雷, . 2017. 岩石加速破裂行为的物理自相似律. 地球物理学报, 60 (5): 1746-1760.

[8]. 杨百存, 秦四清, 薛雷, . 2017. 什么类型的地震能被预测?地球物理学进展, 32 (5): 1953-1960.

[9]. 陈竑然, 秦四清, 薛雷, . 2017. 岩石脆性破坏表征与Weibull分布适用范围. 地球物理学进展, 32(5): 2200-2206.

[10]. 薛雷, 秦四清, 泮晓华, . 2018.锁固型斜坡失稳机理及其物理预测模型.工程地质学报, 26 (1) : 179-192

[11]. 薛雷, 秦四清, 杨百存, . 2018.探讨与汶川地震有关的焦点科学问题.科学技术与工程, 18 (11) : 1-15

[12]. Chen H, Qin S, Xue L, et al. 2018. A physical model predicting instability of rock slopes with locked segments along a potential slip surface. Engineering Geology, 242: 34-43.

[13]. 陈竑然. 2018. 锁固段脆性破坏特征研究 [博士论文]. 北京:中国科学院地质与地球物理研究所.

[14]. 科学探索之旅:寻找大地震前兆的艰辛历程

http://blog.sciencenet.cn/blog-575926-1122732.html

[15]. 浅源、中源与深源地震机理是一样的吗?

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=575926&do=blog&id=1127201

 

附录:来信全文

秦老师:

您好!

我是四川省地震局的员工XXX,现从事地震预报方面的研究。最近,我在考虑采用地震预报区的方案进行地震活动性研究,建立地震事件的震级-时间联合概率模型,对地震事件提出概率预报。在如何确定预报区的时候,需要用到孕震区的概念。百度一下“孕震区”,找到你的博客,得知你在2011年开始已经按照孕震区的概念提出《中国及其周边地震区划分图》,到2016年已更新至3.6版。同时,我也注意到了你提出的【孕震断层多锁固段脆性破裂理论】。对于这个理论我非常感兴趣,于是我不仅浏览了你的博文(很精彩,有真性情),还查阅了你有关地震预测的文章。冒昧写信给你,一来是表达钦佩之意,二来是想交个朋友,可以聊聊地震预报的问题。

一个地震系统以外的学者,在自己的岩石力学领域取得傲人的成就,本可以功成名就,不必要涉足地震预报。 大家都知道这是一潭深水,但你还是跳进来了。你把自己在岩石力学领域的成果应用到地震孕震机理,提出多锁固段地震预报方法。这是一个科学研究兴趣,但遭到了各种无端的攻击,但你依然没有放弃,还在不断完善自己的理论。看到你最近有篇博文“为何历经多年的试验研究,仍未找到岩体失稳的普适前兆呢?”,你的这段话“”如果:试样尺度大,且含有微裂隙(符合实际);试样做成扁平状;加载速率极慢,时间持续两年;温度、压力与研究对象的环境条件匹配,估计大地震前兆能找得到,斜坡失稳前兆也能现身,且结果稳定能够重复。嗯,想明白后,撸起袖子加油干吧。”从这句话,我深感你是一位真性情的科学人,我虽然算不上是科学人,但作为地震系统一名从事地震预报研究的“圈内人”,虽是无名小卒,却仍不住要对你点个赞。还要感谢你,你的工作对我有很大的启发和帮助。

看了你的多锁固段孕震理论,想谈谈我的感想。

如果我没猜错,当你把岩石力学试验的理论成果应用到地震预报,在你的内心中存在这样的逻辑链:

岩石力学试验岩样破裂———滑坡面锁固段岩体失稳———滑坡面多锁固段失稳———滑坡体失稳———断层多锁固段失稳———孕震区发震模式。

从实验室内进行的岩石力学试验,得到的岩样破裂模式和破裂过程是可信的。根据理论推导的峰值强度点和体积膨胀点的应变比值近于常数1.48,也是非常正确的,而且是一个堪称经典的发现。从这些坚实的理论和试验成果,推广到滑坡面上的锁固段破裂,在到多个锁固段破裂导致滑坡体失稳,这些应该都是没什么大问题的。因为滑坡体所处的力学条件与实验室的条件没有太大的偏差。但是,当把岩石力学试验成果推广到断层的多锁固段破裂失稳时,边界约束条件发生了重大的改变。虽然,我也承认滑坡体失稳和地震断层失稳本质上没什么区别,但我强调二者的边界约束条件截然不同,上述逻辑链的后两环有问题。

首先,岩土工程开展岩石力学试验的目的主要是测试各种岩石力学参数,不是未来观测岩体破裂失稳过程的。因此,当岩样发生破裂之后,一般就停止试验了。从试验中可以观察到岩石从无荷载到铸件加载到峰值强度点直至发生破裂的过程中,岩样的应力-应变之间的关联。对于我们所关心的破裂失稳现象,最特征的过程就是体积膨胀点到峰值强度点之间的非线性变化。但是,地壳岩石,尤其是震源体深部的岩石,不可能在观察到从空载荷逐渐加载到峰值强度点的过程。因为这个过程在漫长的地质历史时期早已完成,现在的地壳岩体应该处于都是处于体积膨胀点之后的阶段。岩爆现象可以作为地壳岩石的应力状态位于体积膨胀点之后的证据。岩爆发生足以说明浅表岩体尚处于峰值强度点附近,更何况深部岩体?

所以,我认为,观察断裂失稳的岩石力学试验重点在于岩石体积膨胀点之后的行为,而且要在岩样破裂失稳后继续加载以观察后续多个周期性失稳的特点。

其次,观察断裂失稳的岩石力学试验还要采用“等效材料”。普通岩石在地壳构造环境中,受到的加载是及其缓慢且有一定温度压力流体统计的,因此,其力学行为与“岩样”的力学行为是有差异的,表现出一定的塑性特征,应该是弹塑性体。由于实验室内无法模拟自然环境下构造加载,太缓慢了,所以,需要转换为在实验室加载统计下的“等效材料”来试验。如果可以找到这种等效材料,那么试验结果将更有指导意义。

第三,关于能量守恒原理的应用,我认为有欠妥的地方。从试验的应力-应变曲线得到峰值强度点后破裂释放的应变能与之前积累的应变能相等,所以,用Benioff应变表征断层位移。但是,实际的孕震体中的断裂破裂过程的能量守恒,应该不是这种模式,应该是:孕震体的总应变能=地震释放的应变能+孕震体内未释放的应变能。这种能量守恒模式很像是水库蓄水的形式,总库容=可用库容+死水库容。孕震体可用一次性释放的最大应变能对应于可发生的最大地震,仅占孕震体总应变能的很少的一部分。孕震体中全部可释放的应变能对应地震,可以称为是孕震体的震级上限。可发生的最大地震的震级与孕震体的震级上限是有差距的。

第四,关于孕震区,也就是你的地震区的划分问题。你在最近的3.6版中强调了以深大断裂为边界,这一点也是我在划分地震预报区时遇到的困惑。由于大地震都是沿着块体边界分布的,若以深大断裂(往往都是发震断裂)为界划分孕震区,那么深大断裂上发生的地震究竟属于哪个孕震区呢?我的做法是以块体边界两侧一定范围为一类孕震区,另一类是除边界孕震区之外的区域。

    以上是我个人依据长期从事地震安全性评价和地震地质方面的工作的经验,对地震预报问题的一点不成说的思考,希望能和你交流,搞出一个可行地震预报方法。我和你的大方向相同,都是属于“以震报震”,我觉得这个应该是可行的,其他前兆手段没有理论基础。

祝身体健康

XXX

2018.07.28




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