解决地震预测科学难题的三个根本问题与解答

岳中琦

地震每天发生。每年地震发生的次数可达百万次。地震学家已能设计和使用仪器，在每次地震发生后的几分钟内自动报告它的地点和震级。但是，预测下一个强震或大震至今还不成功。灾难性的1976年唐山地震、2008年汶川地震和2011年东日本大地震等的没有预报成功，也使得不少人对地震预测、预报产生怀疑。现在，世人大多公认，地震预测是个国际尚末解决的世界科学技术难题，是地球科学前沿课题之一。

严酷的地震预测失败事实一次又一次地证明，我们还没有从科学上认识清楚地震的自然本质和孕育发生规律。我们还没有任何现有地震成因理论指导下的成功地震预报方法和技术。因此，我认为，现在要想解决地震预测科学难题，要想高效准确预报地震，首先要提出、要解答以下三个最为根本的问题。

第一个最根本的问题和解答：

每次地震在地壳内和近地表沿断裂带在几秒到几十秒钟时间内突然释放的巨大能量是什么?

近几十年来，国际上相关地震成因的大型研究计划包括上地幔计划、国际地球动力学计划、深海深钻、海洋深钻、大陆深钻、地球透镜计划（法国）、海神计划（日本）、和洛杉矶地区地震试验（美国）。各国地震地质科技工作者已经花费了大量的时间和精力。那为什么人们认识还是不清楚地震孕育发生过程呢?

现在，人们已提出了各种地震能量类型。它们包括地壳断层岩石内储存的弹性应变和应力能（地球板块构造动力假说）、红肿说(傅承义先生提出的，孕震区是一个很大范围内岩层在受力）、下地壳层流的热动力（地球软流圈的上隆，提供热能和机械能）、岩浆（热能）、静电、地震震源包体内主要是高压水汽积累能量、地球排气-静电、地幔中核裂变诱发核聚变的及时效应（核能）。

可是，地震预测还是不成功。这个不成功的原因在于，被人们接受和应用的主流观点是地球板块构造动力假说，还是在于，这些其它能源的提法没有能够有效合理地被人们所接受、采纳和应用呢？那又是为什么呢？因此，我要问，地壳内还有什么能够造成地震的能量呢？

我的回答是，地壳内还有能够造成地震的能量是极高压天然气体的体积膨胀能。我发现，发生地震的主要能源是地壳深部极高压甲烷天然气的体积膨胀能。可简单表述为

E = PDV                                                        （1）

其中，E=地震能量，P=从地壳深部逃出的高密度甲烷气体的压强，和DV=从地壳深部逃出的高密度甲烷气体的体积。

图1：造成地震的地壳深部极高压甲烷气囊内的一小部分气体物质逃脱气囊、进入断裂带岩体快速运移的气体和岩体固体力学动力耦合过程理论模型 

地震的成因简单点说，就是地壳深部岩层之间储存大量高压气体，形成空气囊，气压不断增加而引发地震。每次地震是在重力、构造应力场与岩土体强度的配合和制约下，从地下深部沿断裂带逃脱出的、飞速上升侧升与膨胀的异常高压气体和断裂带岩土体间的相互作用和绝热变化的瞬态完成过程。更简单通俗地说，每次瞬间地震过程是在地壳内部断裂岩体中高速运移的高压甲烷气体膨冲波的瞬态形成、成长、壮大和消亡过程（图1）。

以汶川地震为例。汶川地震发生不久，我前去汶川地震进行实地考察近三个月，考察研究发现汶川地震形成机制和发生过程可以简述为：在重力、结构应力场与岩石体强度的配合和制约下，从地下深部，沿断裂，不整合面或煤层等薄弱带逃脱出的，迅速向上，侧升与膨胀的一股海量异常高压气体和受挤压断裂带岩土体间的相互作用、绝热变化顺态完成过程。

汶川地震能源主要是地壳深度及高密度和压强甲烷天然气的体积膨胀能。高压气体快速降压、体积膨胀，一定要吸热。它们进入大气后，可使得极震区地表空气温度降低，变冷。地壳岩土体是被其内部薄弱地带快速运移的、极高压强的甲烷气体主动膨胀，而被动地波动、变形、断裂和移位（图2）。

地震断层带聚集了大量天然气体，每天不断在增加，因地底压力较大，气体膨胀受压，到一定时间就压不住而爆发出来。这些气体沿断层薄弱的裂缝爆破性地释放出来，就引发地震。断层带是地震产生的场所，断层带提供了空间，大量储藏天然气，气体质量增多，而空间有限，气体受压，围岩受挤胀引发地震。故此，地震的突发能量来自异常高压气体强大膨胀上升动力，而非板块推挤产生的岩石应力变形能。

图2：地震过程极高压甲烷气体物质同断裂带岩体动力耦合作用的三个阶段模型（A类地震：气体喷出地表）

发生地震场地的必要条件是，断陷盆地和深部断裂（地下缝洞空间成为气体通道）。而发生地震场地的充分条件是，深部异常高压天然气体产生聚积（地震能源）。这些场地的表现形式是，煤层、天然气，沉积岩，高地应力、断裂、地陷、或火山（气山）。这个能量还没有被人们认识到和应用到地震预测！也正是因为这个在地下10到20千米的高压甲烷气体的静悄悄的孕育（压强增大、体积增多），造成了地震预测的艰难、困惑和不准！

第二个最根本的问题和解答：

地球上存在与地震一一对应的、确定性的前兆异常吗？

传统地震科学预测方法包括，测震、大地形变测量、地倾斜、重力、水位、水温（地下流体）、水化（气氡、气汞）、地磁、地电、地应力、日月等引潮力、动物、植物异常、气象异常、以及地震综合预报。新的科学预测方法包括，信息论、系统论、协同论、耗散结构论、非线性理论、分形分维、全球位星定位系统（GPS）、热红外、电离层、和INSAR。

人们也有了如下的地震前兆异常规律的认识：地震前兆的多样性、前兆异常时间分布的阶段性、前兆异常空间分布的非均匀性、地震前兆的高度复杂性、愈大地震临震信息愈多愈易报出、地震异常的统计量与震级的正变关系、地震与断裂的正变对应关系、和地震综合预报的重要性。

但是，在世界各国经历过了长达百年的巨大努力和奋斗后，至今还没有找到与地震一一对应、确定性的前兆异常！根据中国地震局统计数据，地震预报的成功率仅有７％。

那这是为什么呢？！

因此，要问、要回答这第二个问题，地球上有这样的与地震一一对应、确定性的前兆异常吗？

我的回答是，地球上应该存在这样的与地震一一对应、确定性的前兆异常！因为，地震是地壳深部的巨大高压天然气体积膨胀能的突然高速胀裂出深部地壳岩体的释放。于是，另一个根本的问题在于，人们还没有认识和应用到这个与地震一一对应、确定性的前兆异常来预测、预报地震！？

第三个最根本的问题和解答：

地球上存在的与地震一一对应的、确定性的前兆异常是什么呢？

要回答这个问题，我又要问, 地球上还有什么可能的前兆异常现象,没有被人们认识和应用来预报地震呢？并且，这个前兆异常现象可以合理合符逻辑地解释前面所提到的地震前兆异常规律呢？

我的回答是，有。

这个可能与地震一一对应、确定性的前兆异常就是浅层（5000千米以内）地下大量高压甲烷天然气体的异常！并且，这个异常是同笔者提出的地壳深层极高压天然气地震成因理论是一致的。可是，还没有人认识和应用这个浅层地下大量高压甲烷天然气体的异常来预测、预报地震！并且，这个前兆异常现象，可以合理合符逻辑地解释前面所提到的地震前兆异常规律！

我的研究发现，汶川地震前，四川盆地浅层地下出现了大量甲烷天然气体和它们异常高压的异常现象。自1945年，我国在四川盆地找油气作了大量工作，一直没有巨大的突破。但是，在汶川地震前的15-20年（即，1990年）以来, 气藏类型转变与储量增长巨大！根据有关统计资料，1990年最终探明的天然气地质累积储量是1959年的4倍，期间，发现的气田数量仅有6个。2000年最终探明的天然气地质累积储量是1959年的10倍，期间，发现的气田数量有9个。2004年最终探明的天然气地质累积储量是1959年的20倍，期间，发现的气田已有7个。同时，这些气田的压强都是异常高压的。

最特殊的实例是自1999年以来，我国在四川盆地东北部上三叠统飞仙关组鲕滩白云岩储集层中找到了高产气田包括铁山坡、罗家寨、罗山寨、铁山、滚子坪、普光等。2004年的天然气累计探明储量是1998年的6.4倍，而1998年的天然气累计探明储量是1990年的7.2倍。飞仙关组鲕滩白云岩是个高压高产高质甲烷天然气的储集层。

人们不禁要问，这些高压海量的纯净甲烷天然气的来源是从何处而来的呢？

我认为，储量和气田的快速增加与现代科技人员的努力和先进的气田勘测方法密切相关。但是，这些高增长数字也可能清楚表明，四川盆地异常高压天然气体，越来越易探到了、越来越易开采到了、压强便得更高了、储量变得更多了。

原因何在？！是否是地震前兆呢？！

在大地震发生前的十到二十年间，地壳深部的甲烷天然气已孕育积累到了一个接近临界大规模破裂地壳岩石的程度。虽然深部地壳岩石体是非常高压、致密，但是，极其高压的极小分子的甲烷等气体还是能够从高压致密岩石体的孔隙中缓慢、大量地渗透、渗流到围压较小的上部地壳岩石体中。如果遇到可储存气体的岩层（如鲕滩白云岩），它们将在这些地层中储积。如果没有遇到可储存气体的岩层，它们可能会逸出地表、散发到大气中。

因此，这个前兆异常可能表现在以下五个方面：

浅层（2000米到5000米深）地下大量甲烷天然气体的高压异常（压力增加和变化）；浅层地下大量甲烷天然气体的体积异常(体积储存量快速增加)；地下煤矿瓦斯事故增多增大；地面异常地质灾害会时常发生；地面空气中的甲烷等气体大量偶然出现和变化。这五个可能前兆异常表现形式，还没有被人们认识和应用到地震预测。

这个异常还表现在，因高压气体的少量、时空不规则溢出，地面上可出现各种不规则变化异常（这些异常会在统计意义上地逐渐增多），地面高空可能出现特殊气象、气温现象。这些前兆异常已被人们应用到地震预测，但是, 还没有同地震的高压天然气成因相联系起来。当然，这个与地震一一对应、确定性的前兆异常（浅层地下大量高压甲烷天然气体的异常），在地震前的多种表现形式，且不同地质断裂构造地层场地条件会不一样。

如何勘测地震来临

可建立、建全地下、地表、高空立体网实时监测地下甲烷等气体的变化和异常，以高效准确预测破坏性地震。

首先，开始重视和确定地下断裂深部高压甲烷天然气体育地震成因之间的关系；再指导、研究在各个地震带和区，在不同的地质、构造与地层岩土体条件下，气体在增压增体孕震过程中会出现的各种现象，建立理论模型；同时, 要重新分析各地过去的地震现象, 以建立各地预测预报参数和指标, 再将成果应用于实践。

第二，调查我国地震分布与油气煤田分布的对应关系；调查我国大地震前后，震区油气田的各种变化；调查震区有油气田和无油气田的震后效应和余震震级及余震分布有何同异；调查研究我国大地震前后，煤矿瓦斯矿难分布和对应关系。

第三，在地震前，地下甲烷等气体可能有微少溢出特殊地表、进入空气、上升聚集到高空。因此，建议发展空间技术在高空监测甲烷等气体的变化。这应作为一项最重要指标，这个指标在过去或许没有人用过。

第四，地震预测工作要同国家的石油、天然气和煤等地下能源的勘察和开采结合起来，也要同地质灾害和气象部门工作结合。我国这些部门已经建立起来了。这些部门应在国务院的统筹管理下全面地开展地震与地质灾害的预报、预防和应急和地震甲烷天然气能源的勘察、开采和利用。

参考文献：

1）岳中琦（2010a）：论地震能量传播和破坏的一种尚未认识模式，学术报告，《大陆地震成因与强震预测学术研讨会》，武汉，2010 年11 月5-6 日

2）岳中琦（2010b）：地震的深部断裂-高压天然气成因理论，学术报告，香山科学会议第388次学术讨论会“中国强震预测与地球系统科学”，北京，2010年11月23-25日

3）岳中琦（2010c）：地震的高效准确预测建议，学术报告，香山科学会议第388次学术讨论会“中国强震预测与地球系统科学”，北京，2010年11月23-25日

4）岳中琦（2012）：地壳深部断裂带极高压天然气的地震成因机理，会议论文集，《大陆地震成因与强震预测》，陶家渠主编，中国国际站略学会安全站略研究中心（内部资料），94-100。

5）岳中琦（2012）：论一种人们尚未认识和应用的可能与地震一一对应、确定性的前兆异常，会议论文集，《大陆地震成因与强震预测》，陶家渠主编，中国国际站略学会安全站略研究中心（内部资料），101-105。

2014年12月9日21:15改写成于香港大学黄克兢楼办公室