“大地震孕育机制及其物理预测方法”学术沙龙报道之一

－马瑾院士展示的“亚失稳应力状态”证明地震有普适性前兆

中国科协于2016年8月20-21日在北京举办第111期新观点新学说学术沙龙，邀请二十七位相关专家学者就“大地震的发震机制究竟是什么？可靠的普适性前兆究竟存在与否？其究竟能否能被预测预报？”等学界和社会关注的问题，进行研讨交流。

领衔讨论的专家有中科院地质与地球物理研究所王思敬院士、中国地震局地质研究所徐锡伟研究员、中科院地质与地球物理研究所秦四清研究员。

参会人员有：

中科院力学研究所白以龙院士；

河南省鹤壁市地震局池顺良教授；

中国地震局地质研究所邓起东院士；

中南大学董陇军副教授；

中科院武汉岩土力学研究所冯夏庭研究员；

中国地震局地壳应力研究所高小其研究员；

中国矿业大学（北京）何满潮院士；

辽宁省阜新市彰武县档案局赖柏林局长；

中科院力学研究所李世海研究员；

成都理工大学梁春涛研究员；

中国地震局地质研究所马瑾院士；

中国地震局监测预报司孙建中司长；

大连理工大学唐春安教授；

中科院地质与地球物理研究所滕吉文院士；

加拿大多伦多大学夏开文教授；

国家自然科学基金委员会地球科学部熊巨华研究员；

中科院地质与地球物理研究所徐嘉谟副研究员；

中科院地质与地球物理研究所薛雷副研究员；

中国地震局地壳应力研究所杨树新研究员；

中新集团姚攀峰高级工程师；

中国地震局地震预测研究所/中科院力学研究所尹祥础研究员/特邀研究员；

香港大学岳中琦教授；

中国地震局地震预测研究所张晓东研究员；

中国矿业大学（北京）赵键讲师；

沙龙采用“专题发言＋讨论”形式，专题发言每人10分钟，重点主题发言最长不超过20分钟；自由发言时间每次不超过5分钟。

秦四清研究员、马瑾院士、白以龙院士、何满潮院士、尹祥础研究员作重点主题发言。会上16位专家作了专题报告。

“大地震的发震机制是什么？可靠的普适性前兆存在与否？其能否能被预测预报？”这三大问题，学术沙龙是否找到了答案？专家报告提出了哪些有含金量的建议？

关于“大地震发震机制是什么？”秦四清研究员提出“多锁固段脆性破裂说”、唐春安教授提出“地球内部温度变化产生膨胀力驱动说”、岳中琦教授提出“深部气体膨胀爆炸说”，在会上引起热烈争论，有赞同的、质疑意见更多，难以取得共识。我们的注意力将集中在“普适性前兆是否存在”与“能否预测预报”两个问题上。

根据浅源大地震是地壳岩层在地应力作用下破裂的主流认识，马瑾和白以龙两位院士根据实验室岩石破裂试验，指出岩石破裂前有应变、振动、温度、地面位移等可观测前兆信号发出。只要对上述物理量建立有效的观测系统，加强监测、认真分析判断，大地震是能够被正确预报的。下面介绍马瑾院士的报告。

（一）马瑾院士的报告

马瑾院士报告的题目是“亚失稳应力状态的探索”。

马瑾院士和她的团队多年从事岩石破裂实验。马院士认为，地震是小概率事件，实验室是研究地震规律重要的辅助工具。从岩石破裂试验中有可能寻找到地震预报的思路和方法，岩石破裂实验室就是“室内地震预报实验场”。

在早期岩石压裂实验中，峰值应力前看到的应力-应变曲线几乎是一条直线，到达峰值直接就失稳了，破裂瞬间发生，没有提前预报的可能。

经过实验室条件不断改进，时间和空间分辨率不断提高。多年来不断改进实验设备，提高应力、振动、温度观测采样速率，对加载速率实施精密控制、实现点的观测和图像的观测。终于在峰值应力前看到偏离线性的变化，而在峰值应力到最后失稳中竟然看到一个时间间隔，这个阶段在整个曲线当中所占的过程小于1%。它与失稳关系密切，称之为“亚失稳阶段”，亚失稳阶段又可以划分为应力缓慢释放（准静态阶段）和加速释放（准动态阶段）两个阶段，中间有一个转折点A。在实验中我们一看到这个转折点，就知道要失稳，在“亚失稳应力状态”岩石还发出各种频率的应变、位移、温度变化等具有特征的信号。

图1.马瑾院士团队岩样压裂实验的加载－观测实验技术装备原理图。

经过多年努力，马团队在实验室岩石压裂实验中，根据传感器接收到的信号终于能够“提前一秒钟实现岩样破裂失稳的预报”。

在实验室中能够提前一秒钟预报是极其重要的进展！要知道，自然界构造应变加载速率比实验室加载速率慢百万倍，实验室这1秒钟提前预报时间，在现实中就可能相当于我们有了数十天应对强震灾害的准备时间！

如，尹祥础研究员“加卸载响应比”方法检测到岩石地层受损信号后，强震到来将“指月可待”；池顺良教授整理汶川8.0地震、芦山7.0地震前临近的姑咱台钻孔应变观测资料发现，反映地层受损应变信号一旦出现，数月后强震即到来。

实验中通过对位移场和应变场的观测和分析，发现断层变形失稳过程一般包括应变释放点的产生、释放区扩展和增加以及释放区的连接3个阶段。这个过程马院士称之为协同化过程。当断层带上释放点足够多，已有释放区扩展足够大时，断层进入亚失稳阶段。此时，弱化断层段的孤立扩展转变为断层段之间相互作用下的连接，断层进入必震阶段。

图2.马瑾院士展示的岩石破坏实验中出现“亚失稳应力状态”图件。捕捉到“亚失稳Ⅰ”和“亚失稳Ⅱ”的转换时刻，就能够预测必将到来破裂的发生时刻。

图3.马瑾院士展示岩样破裂前出现的三类成核相振动信号。这三类信号出现在岩样破裂前。

压裂实验中使用铂电阻测温计和热像仪观测岩样的温度变化，看到了不同变形阶段的热像图。由峰值应力O时刻之前的热像图看到整个标本升温，断层也不例外。进入亚失稳阶段后，我们看到断层两侧块体逐渐降温，而断层带开始逐渐升温。在准静态和准动态释放的转折点A以后，断层升温加速，而块体加速降温。不同阶段的热像图给我们的启示，说明进入亚失稳阶段后断层开始升温，围岩降温，到达A时刻二者温差加大，标志着失稳的临近。这些实验观测结果，对依靠卫星热红外图像探索强震预报的工作提供了实验观测依据。

图4.马瑾院士展示岩样不同变形阶段的热像图，进入A、B点（见图2）后，断层升温，两侧块体反而降温。特征性的温度场升、降温变化，表征断层已处于即将破裂的亚失稳状态。

最终失稳前在高应变梯度带开始观察到声发射、震前前驱波和震颤现象。

在实验过程中观测到的应变波现象，给马院士团队带来了惊喜。沿平行断层方向布设的应变片组在强偏离线性阶段后，观测到应变类似弹簧，以一种波动的形式向未来震源处传递的现象。沿断层部位应变先升后降，相邻测点依次传递，愈接近震源，应变变化的幅度愈大，愈接近发震时刻，传递速度愈快。

马院士说：“在唐山地震和汶川地震前均有过这种现象的报道。更早的报道是1960年智利大地震前，设在美国加州的贝尼奥夫应变仪（硐室伸缩仪）记录到周期300-600s的波动性前兆信息以及1964年3月28日阿拉斯加大地震和1964年6月16日新潟地震前3天在GS12型重力仪光电记录图中发现的一系列特殊脉动叠加在固体潮曲线上。只是它们被分别称为前驱波，应变波、应力波、前兆蠕动、慢地震、人感地动、亚地震波等。”

这种应变传递的波动现象在大震前后，引起大规模地面缓慢移动或晃动。1966年邢台大地震，多个村庄许多人头晕感到地在动，而在当时记录频带较窄的地震仪上却没有任何记录，让地震学家们感到不得其解。现在知道，这是一种所谓的“静地震”或“慢地震”，在接近震源区，因人能感到称为“人感地动”。现在的观测技术，这种超长周期的应变波已经可以用近些年发展起来的应变仪或超宽频带地震仪观测到，对确定大地震的震中位置与发震时刻很有帮助。

根据岩石破裂实验的一系列结果，马瑾院士的实验告诉我们地震应该是有前兆的，应变、温度、位移等物理量都会出现有协同化特征的变化。

但是要实现大地震的预测预报，首先要有相应的观测技术能够观测到、记录到这些在大部分观测条件下很微弱的物理前兆信号；观测到了还必须能够及时识别这些信号确是岩石地层在构造应力作用下已进入‘亚失稳应力状态’时发出的，这些信号中应该含有岩层应力已处于‘亚失稳应力状态’的明确特征。――若马瑾实验的结论是可靠的，那么，“大地震究竟能否能被预测预报”的关键就是我们用哪种观测系统可以有效地捕捉到这种“普适性前兆”信号，并且能够及时识别它们。

野外地质构造复杂，亚失稳研究尚需经过野外观察检验。野外地震试验场如果在大地震前能够检测到符合上述条件的前兆信号，大地震预测、预报就有可能取得突破性进展。

马院士的实验告诉我们：“地震是地壳运动的结果，存在一个由缓慢变形向快速发展的过程。但不是所有构造变形都会导致地震发生，只有应力状态从亚稳态转变为亚失稳态，发震断层才进入了不可逆变形过程，它标志着地震不可避免地会发生，不可逆过程的存在是地震可预报性的基本逻辑基石。抓住亚失稳阶段的特点也就是找到了与地震发生有唯一关系的过程，以往从物理、化学以及生物角度的观测只是力学过程引起的结果，它们与力学过程之间的关系不是唯一的，而断层所处的应力状态才是本质。”

马院士团队的实验为寻找大地震物理预测方法提供了宝贵启发，强调地震发生是力学过程，监测、发现断层所处的应力状态何时从亚稳态转变为亚失稳态的前兆信息，成为突破强震预测预报的技术关键。

马院士报告后，专家们踊跃发言讨论。何满潮院士的发言指出：“马院士从岩石应力应变全过程实验曲线开始他们的研究，特别关注从曲线峰值点往后研究整个破坏过程。大家都知道岩石力学到最高点往后是一个峰后破裂的过程。我同意马老师地震是可以预测的观点，我们野外监测工作的结果支持马老师地震应该有前兆的结论。”

1966年邢台地震后党和政府决心攻克地震预报难关，40年攻关奋战，建立起了具有一定规模的测震及前兆台网。2008年5月12日发生的汶川大地震是新中国建国以来破坏力最大、唐山大地震后伤亡最严重的一次地震。这次大地震事实上是有前兆的。

2004年启动的“中国数字地震网络工程”在全国布设的40个分量钻孔应变仪台站中，最接近汶川的姑咱地震台分量钻孔应变仪在汶川地震前550多天中观测到3700多个表现为异常应变脉冲和阶跃的静地震（慢地震），根据静地震数据特征的时间演变特性，可以判断这些应变脉冲正是汶川震源区所处的应力状态从亚稳态转变为亚失稳态时发出的应变慢地震前震信号。

发现姑咱台应变数据有异常是在汶川大地震发生前的2007年7月，在之后十个月中为何没有捕捉到能够作出预报的前兆信息，我们必须总结、反思。

这方面内容将在后续报道中介绍。

池顺良

2016年12月3日星期六 于鹤壁