博文
2013年6月提交给地震局的建议
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1 中国对世界科学的重要贡献
不久前，我们关于中国四分量钻孔应变观测的理论分析文章（附件1），已经在JGR上发表。这标志着这种中国人发明的精密观测技术正式登上了国际地球科学领域的舞台。
放眼世界，在所有重要的科学观测仪器中，有哪一种是中国人发明的？中国在当代世界科学发明中的缺失，一直是全体中国人心中的痛。
中国发明的四分量钻孔应变观测，是可以与地震仪和GPS相提并论的地壳运动观测技术，而这种观测提供的信息，又是另外两种观测无法提供的。这种观测数据在地壳运动、固体潮、地震波、地球自由振荡等多方面的研究中，都有不可替代的作用。
回顾历史，科学的重大进步都与观测技术的发明紧密联系。钻孔应变观测技术的成功，同样将有力地推动地球科学跳跃性地进步。
从李四光开始，中国的几代科研人员为发明和完善钻孔应力-应变观测付出了不懈的努力。继中国开始研发钻孔应变观测技术之后，澳大利亚和日本的科学家也效仿中国进行了类似的观测技术研发。但是，以YRY-4型四分量钻孔应变仪为代表，中国的观测技术因为传感器的突破性革新而趋于成熟，在世界上仍然是领先的。我们的钻孔应变观测分析理论也在引领潮流。
中国人现在和将来都可以为此而骄傲。
我们现在要做的是，乘胜前进，奠定和巩固自己的领先地位，最终赢得全世界的承认和尊重。要建立更多的观测点，产出更多高质量的观测数据，让更多的中国科研人员使用这种独特的数据，取得更多的创新性科研成果。
2 解决地震预报问题的重要手段
中国的钻孔应变观测从一开始，就是以地震预报为目的的。因为学者们普遍认为，地震是由地壳中的应力（应变）变化造成断层运动导致，所以观测应力（应变）变化对预报地震的发生是特别重要的。
数十年的实践表明，地震预报并非当初人们以为的那样简单。一个深刻的教训是：一步到位是不可能的。我们必须把这个艰巨的任务分解开来，循序渐进地完成。在最基本的层面上，要把地震前兆研究和地震预报研究分开。地震预报的根据是地震前兆，只有先把前兆搞清楚了，才可能进行地震预报（附件2）。
地震前兆研究的对象是一个个震例。个案分析是这种研究的基本方法。2008年汶川地震，姑咱台钻孔应变仪记录到可信的前兆变化。如今，5年过去了，回头再看那个变化，更加一目了然。
2013年芦山地震前数天，姑咱台又观测到显著的异常变化。经过我们的全面调查和深入分析，现在可以肯定：没有已知的干扰可以造成这种异常变化，这种异常变化应该是地震前兆（附件3）。
芦山地震前兆异常，又为地震前兆研究提供了一个宝贵的震例。
必须正视这样的事实：姑咱台安装了目前所有常用形变观测仪器，除钻孔应变仪外，还有伸缩仪，水管式倾斜仪和摆式倾斜仪，以及地震仪。只有钻孔应变仪在汶川地震和芦山地震前都记录到显著的异常变化，其它仪器都没有观测到明显的变化。这说明钻孔应变仪在观测地震前兆异常方面具有优越性。
中国开展地震预报研究几十年，投入了大量资源。姑咱台钻孔应变仪观测到地震前兆异常，进一步说明了一个重要的事实：地震是有前兆的。对这个事实的确定，大大增强了我们继续努力攻克地震预报这个“世界难题”的信心。
必须清醒地认识到：对地震前兆研究而言，最重要的就是观测。目前的地震前兆研究受到的最大限制，就是观测严重不足。
要加强前兆观测，特别是要加强钻孔应变观测。这对我们捕捉到更多的地震前兆，从中发现规律性，最终找到预报地震的可靠方法，是十分必要的。
3 关于钻孔应变观测的几个问题
1） 如何解释玉树地震前没有观测到异常变化？
中国几十年的地震预报实践证明，地震的前兆现象是非常复杂的。对于各个地震，前兆现象并非都一样；对于同一个地震，各个地点并非都能观测到显著异常；对于同一个地震，不同地点观测到的显著异常也并非都相同。“十五”以来钻孔应变观测的结果，无论是姑咱台观测到地震前兆，还是玉树台没有观测到地震前兆，都进一步证明了这个事实。实际上，这种认识正是中国几十年地震预报实践的一个重要成果。
在此基础上，我们下一步要努力搞清楚的是：到底在什么条件下最可能观测到地震前兆。换句话说就是：“把观测点建在什么地方？”已经成为一个关键的问题。
对于钻孔应变观测而言，以往过于强调观测点要远离断层、不受复杂地形干扰，今后应该要求建在接近断层、地形复杂的部位。在这种部位会发生应力集中，地震前兆变化会被放大，从而容易被观测到。相反，在不发生应力集中的地方，应力变化通常是极其微小的，难以被观测到。
应该利用行业专项资助，对姑咱台所处位置的特点进行专门研究，找到该台观测到汶川地震和芦山地震的前兆变化的原因，同时对没有观测到玉树地震前兆的玉树台的位置特点也要研究，找到原因。要总结正反两方面的教训，为未来的钻孔应变观测点建设提供依据。
2） 什么对四分量钻孔应变观测最重要？
四分量钻孔应变观测的设计源自四分量钻孔应力观测。这是一个非常巧妙的设计，简单而又有效。这个设计最基本的优点，就是提供了对观测数据的可靠性进行自检的功能。钻孔应变观测需要把探头与岩石耦合起来才能进行，但是耦合得到底好不好实际上我们难以得知。四分量设计提供的自检功能，就很好地解决了这个难题。
根据钻孔应变观测的理论模型，四个分量的观测值S1，S3，S2，S4之间存在“自洽方程”：S1+S3=S2+S4，俗称“1+3=2+4”。当观测数据满足自洽方程时，就是可靠的，否则是不可靠的。之所以说“十五”的四分量钻孔应变观测取得了突破性进展，就是因为YRY-4仪器的观测数据基本满足自洽方程。
对四分量钻孔应变观测而言，最重要的是就数据的自洽性，即所谓“1+3=2+4”，甚至比分辨率还重要。即使观测的固体潮变化不是很清晰，只要自洽性很好，我们就可以认为观测是正确的，数据是可靠的。反过来说，当四分量观测数据不满足自洽方程时，就会出现混乱，无法进行应变换算。这种观测数据即使分辨率很高，也不能用来解决科学问题，几乎可以说是毫无价值。
一种型号的仪器也好，一个观测点也好，观测数据必须满足自洽方程才是合格的，否则不合格。
我们现在有多种定量的指标来描述观测数据的自洽程度。将来的仪器和观测点，观测数据的自洽程度，都应不低于“十五”的水平。
3） 如何保证观测点建设的成功？
与其它地面观测仪器不同，钻孔应变观测有特殊的风险，就是探头安装到钻孔中便不能取出维修。一旦安装失败，到时候探头不能取出，很可能需要重新钻孔和重新安装仪器。更有甚者，观测点带病运行，白白浪费人力和财力。这已经有大量的案例，教训沉痛。
实际上，这个问题有办法解决。
造成建设观测点失败的因素存在于打孔和安装探头两个方面。
A．打孔方面
一些观测点的仪器不能正常产出数据，是由于探头安装深度岩石不完整。因为打孔费用通常比较高，所以即使发现了岩石不完整，也不愿意重新打孔。结果是勉强安装探头，应付完成项目任务，造成浪费。
我们在山西进行了实验，证明可以用高密度电法在打孔之前，预先探查地下岩石完整性（附件4）。这种方法不但有效，而且成本不高，实际可行。
在打孔之前，用高密度电法等方法探查地下岩石完整性，如果岩石明显不完整，就改换其它地方。这样可以大大降低打孔失败的概率。
B．安装探头方面
仪器本身质量不过关，或者探头安装操作失误，也可能导致仪器不能产出合格的数据。解决这个问题，要靠严格的合同。
仪器生产厂家要事先进行钻孔质量检查。一旦认可钻孔质量合格，进行了仪器安装，就要对后续的观测负责。只要观测不合格，就必须在规定的期限内重新安装。如果决定放弃，就要受到经济制裁，赔偿相关损失。
我们判断一个钻孔应变观测点是否合格，已经有定量的信度指标（见附件1）。这个指标的计算方法有严格的规定，是公开、公平的。必须在与仪器生产厂家的合同中明确规定：如果仪器产出数据不能达到规定的信度指标，就要认定观测不合格。
除此之外，避雷问题也必须在合同中给出严格要求。“十五”以来，钻孔应变观测点的避雷已经有相当成功的经验，必须认真借鉴。
“十五”地震前兆台网建设，钻孔应变仪安装的成功率超过70%。这是一个很了不起的成绩。未来的观测网建设，应该可以做到更好。
4） 要不要搞“深井观测”？
近年来，有很多有关开展大规模的“深井观测”的议论。好像是地面观测已经没意思了，要观测地壳深处的情况。我一直质疑这种提法，在多个场合公开表示过异议和反对。
什么叫“深井观测”？按照那些人的说法，最多不过300－400m。这与国际上的“深井观测”的概念差得很远。所谓“深井观测”，深度应该至少在1000m左右。
就我们现在的技术而言，在几百米深处安装钻孔应变探头，成功率很低，成本很高。
面对现实，钻孔应变观测的对象，不是地壳深部的应变变化，而是地面的情况。
（1）按照四分量钻孔应变观测的理论模型，只有当垂直地面的应力分量为零时，这种观测才能给出正确的数据。这个条件只在地表附近才满足。
（2）钻孔应变观测的探头放在钻孔中，其主要目的，是避免地表干扰。这些干扰或者来自天气（例如气温）的变化，或者来自人类活动。
（3）“十五”的四分量钻孔应变观测深度只有40m，但是观测数据的质量一般说来与国外几百米深的观测相比并不差。这说明几十米深度与几百米深度的差别，并非一些人想象的那么严重。
（4）不少科研人员经常要求将钻孔应变观测结果与GPS以及InSAR的观测结果作比较。如果钻孔应变观测的是地面的情况，那么这种比较就可行；如果把探头放到几百米深，这种比较的结果就不可靠了。
（5）在科学上，这种观测深度的差别尚不明确。在设施中，几百米观测深度带来的风险却大得多。影响最大的一个例子就是美国的PBO。美国科学家原来计划安装200套钻孔应变仪器，但是最终只完成了约80套。主要原因就是对钻孔费用估计严重不足。
根据我们现在的认识，平衡利弊，除一些特殊情况外，我们未来的四分量钻孔应变观测，不需要追求更深。关键是探头安装深度岩石必须完整。
5） 建设观测点要不要进行绝对应力测量？
简单地说，这没有意义，似是而非。
一方面，地应力测量，包括水压致裂法、套芯发和钻孔崩落法，等等，都不可靠，成本却很高。
第五届国际地应力会的时候，除美国的Zoback有事外，元老们都来了，作主题报告。Haimson讲“岩石性质、非均匀性、地形和断层对水压致裂应力测量的影响，以及用其它独立的证据支持测量结果的重要性”。Stephansson讲“如何生成一个地区最终的应力测量模型”。Hudson讲“原地应力的变化”。
实际上，老先生们没有讲什么新东西。他们不约而同想传递的信息就是：地应力测量是很复杂的，不要把它简单化。要得到一个比较可靠的结果，需要做大量的、多方面的测量和分析。
另一方面，因为钻孔应变观测的是地表附近的情况，而地震是发生在地壳深处，所以观测点所在部位的绝对应力大小与地震的发生并无直接联系。
一个很好的例子是：2010年，吉林敦化台YRY-4型钻孔应变仪观测到大幅度的压性变化，基本符合自洽方程。这个变化持续了数月，直到探头被压坏。根据事后的调查结果，井下电视发现了孔壁崩落块体，表明钻孔可能发生了破坏变形。这就是说，钻孔岩石所受应力应该已经达到其强度水平。
重要的是，至今，当地并未发生地震。
这证明，即使地表附近岩石所受应力达到岩石强度水平，也不意味着地壳深处就要发生地震。那么测量地表附近的绝对应力大小还有什么意义呢？
我们在地表进行应变观测，来尝试发现地震前兆变化，其理论依据是：岩石破裂前有“声发射”现象，就是发生微破裂。至今，我们观测到的可靠的地震前兆变化，其形态特征都是一系列的突跳，与实验室岩石破裂前的“声发射”是可以类比的。只是两者的尺度存在巨大差异。
地壳深处岩石破坏造成地震前，应该有类似“声发射”的情况。我们的观测证明，这种“声发射”可以影响到地表附近，被仪器观测到，作为地震前兆来预报地震。
建设钻孔应变观测点，没有必要进行应力测量。
4 在强震带上建立密集钻孔应变仪观测网
关于在强震带上建立密集钻孔应变观测网的问题，早已议论了很长时间。芦山地震的发生，又提供了一个新契机，让我们重新拾起这个议题。
我们现有的钻孔应变观测网，包括钻孔体应变观测点和四分量观测点，有一百个左右。看上去也不算太少，但是分布非常不合理，没有一个科学目标。本来是为地震预报建的观测点，相当一部分却位于地震并不活跃的地区。而在地震带上，这些观测点又是稀稀拉拉，间隔遥远。姑咱台观测到汶川地震和芦山地震的异常变化，但是附近再没有其它台，无法进行对比。可以说，这是非常令人遗憾的。
中国的地震预报实践发展到今天，是有成果的。其中特别重要的一个，就是研制成功了钻孔应变观测技术，并且用这种技术观测到了一些十分可靠的地震前兆现象。这是我们对世界的重要贡献。
我们已经走了很多路，已经看到光明的前景。但是前面还有一些路要走。我们不能半途而废，必须奋勇向前。我们要抓住芦山地震这个新契机，坚决把在强震带上建立密集钻孔应变观测网的工程项目申报成功。
可以预期，只要下一个大震发生在我们建好的密集观测网之内，我们必将观测到更加充分的地震前兆现象，地震前兆研究以及地震预报探索，都会有突破性的进展。
当没有强震发生在钻孔应变密集观测网内时，这种观测数据在地壳运动、固体潮、地震、地球自由振荡等研究中，也都可以发挥特殊的重要作用，有助于产生创新性的成果，加快这些领域的科学进步。
对于这个项目，有两点至关重要，必须特别强调：
1）突出重点，有限目标
我们搞这个项目的根据是十分充分而清晰的，就是钻孔应变观测已经可以与测震和GPS相提并论；无论从理论上还是实践上，都已经被证明是特别有效的研究地震前兆的手段；并且这种观测是中国人发明的，应该特别予以支持。
这个项目必须围绕发展钻孔应变观测来展开。这里要明确指出：以往提出用“地壳应力观测网络”项目来代替钻孔应变观测项目是不对的，偷换概念，偷梁换柱。“地壳应力观测网络”没有可靠的技术支持，大而不当。
我们并非要排斥其它观测方法。任何其它观测方法，都可以在达到与钻孔应变观测相同的发展水平，有了可靠的地震前兆观测记录，能够得到国内外科学家的认可之后，来申报类似的项目。在此之前，可以用其它项目来努力发展，而不要用滥竽充数的方法挤进这个项目。
实际上，这个项目涉及地震地质调查、地球物理勘探、观测点建设、网络建设和运行、数据分析、地壳运动观测、地震以及地球动力学研究等诸多方面，可以有各方面的相关人员参与进来。但是，这种参与并不是简单的利益均沾，而是为了达到相同科学目标进行的有机合作。现在大家普遍都并不很缺钱，无关人员没有必要非挤进来分一杯羹不可。
这个项目并非越大越好，包罗万象，而是应该尽量简化，单打一。作为一个工程项目，它只是搭建一个平台，为将来的地震前兆研究以及地震预报探索提供大家需要的观测数据。
科学项目必须突出重点、有限目标，这是完全正确的。只有这样，这个项目才有希望高效率地搞好。相反，好大喜功，搞一个大而全、包罗万象的项目，最终都难以实现当初的科学设想。这种前车之鉴可谓比比皆是。
2）分步推进，步步为营
在以往的项目申请书中，这个工程项目的规模大概是300个观测点。最初这个规模是针对有人建议搞1000个观测点而提出的。1000个观测点明显过于脱离现实。
实际上，即使是一下子建300个观测点，也存在相当大的风险。必须避免出现这样的局面：一下子建了很多观测点，看上去数目不少，但是没有多少能达到合格要求，数据不能使用。
为了保证工程项目的成功设施，应该采取分步推进，步步为营的策略。应该分清轻重缓急，首先选择一个未来存在强震发生可能性的地区（例如川滇交界地区），用3年时间，初步建设50个观测点。
“十五”期间共安装了约40个四分量钻孔应变仪。这么多年过去，技术在进步，能力在提高。我们应该有把握利用“十五”的经验，用3年时间完成建设50个观测点的任务。
与以往不同的是，这些观测点将以无人值守为主。这些年我们已经有不少建设无人值守观测点的成功经验，必须认真总结这些观测点的建设和管理经验。
建设完这50个观测点后，要组织专家进行评估，再考虑如何下一步在其它地区建设钻孔应变密集观测网。
根据以往的钻孔应变观测的长期实践，特别是“十五”经验，我们有充分的信心，在这个分步推进的过程中，每一步都一定能取得新的突破。
注：本建议后经修改发表在最新一期《地震学报》上。
https://blog.sciencenet.cn/blog-39301-816963.html
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