“大地震孕育机制及其物理预测方法”学术沙龙报道之二

－白以龙院士：用空间对地观测数据预报大地震的岩石破裂实验依据

薛  健*      池顺良

（二）白以龙院士报告的题目是“灾变破坏的幂律奇异性和地震预测”。

力学家白以龙院士指出：地震是地壳中储存的弹性能突然大规模释放的力学现象；在非均匀岩石介质中，当弹性能释放的增量等于或大于破裂所需要的能量时，即发生灾变破坏；发生破坏前，变形场的响应量会出现幂律奇异性。白以龙院士认为，利用针对地壳变形场演化的监测（如北斗或GPS观测数据）来探测上述幂律奇异性和临界状态，能为地震预测提供直接相关的信息。

图1.白以龙院士作“灾变破坏的幂律奇异性和地震预测”学术报告

白院士的研究也以岩石破裂的实验观测为依据,目的是要找到灾变破坏的前兆特征。图2是利用数字散班相关方法(DSCM)观测岩石破裂过程中表面变形场的实验观测设备。通过大量实验发现，变形局部化和临界幂律奇异性是岩样灾变破坏前的两个重要特征。

1.    变形局部化

岩样在加载初期，变形大体是均匀的。当越过荷载峰值点后，应变场斑图开始出现明显的不均匀，出现压应变急剧增加的深色局部化的条带（见图3和图4）。而在局部化条带外围，开始出现张性的相当于卸载变形的应变增量。最后，岩样的破裂在局部化变形带内发生。

从力学上看，局部化带外的区域，应变增量是负的，相当于卸载，这些区域就变成了一个发生弹性卸载的‘试验机’，它的张性应变增量，把弹性能释放出来，一次释放弹性应变能的“地震”就发生了！

白院士认为，地壳里发生的岩层破裂和地震现象很可能跟此是相似的。汶川大地震后，根据GPS测量的汶川断裂带地面位移的五期数据（1999年、2001年、2004年、2007年、2008年）计算得到的应变增量场发现，在汶川地震前，龙门山破裂带附近逐渐累积起压应变增量，同时断层两侧地区也有能量释放的张应变增量区。在靠近发震的时段，压缩应变增量明显集中到了地震破裂带附近。说明在汶川地震孕震区，这个比实验室岩石试样尺度大10⁶倍的岩石地层中，岩体变形也出现了由大体均匀向局部集中的过程，形成断裂的损伤局部化现象。

图2.实验室岩石破裂的数字散班相关方法DSCM实验观测设备。

图3.在岩样压裂实验中观测到岩体变形由大体均匀向局部集中，形成条带的损伤局部化现象。

图4 大理岩试样单轴压缩实验中出现的变形局部化现象

2.临界幂律奇异性

图5a给出了花岗岩试样单轴压缩时的荷载F-位移u曲线。其中u代表试样的整体变形。考虑到力很难测量，转而考察试样整体变形u和试验机输出位移U的关系（如图5b黑线所示）。可以证明，F(u)曲线和u(U)曲线在破坏点附近的临界行为是一致的。我们可以利用u(U)曲线的斜率R=du/dU（整体响应函数）来考察加载的演化。如图5b红线所示，在破坏前很长一段时间内，R 保持在一个较小的数值；在临近破坏时，R 的值迅速增大。

图5 典型的实验曲线。(a)试样荷载-位移曲线。(b)试样响应量-控制量曲线u(U)及响应函数R(U)曲线。响应函数R(U)是u(U)曲线的斜率。(c)和(d)是响应函数在双对数图上的演化，分别是花岗岩和大理岩试样。

将R与(1-U/U_F)的关系画在双对数坐标图上（如图5c、图5d所示，下标F表示灾变破坏点）。可以发现，在临近灾变破坏时出现了很好的线性段，这表明响应函数R具有幂律的奇异性。这种幂律奇异性只在灾变破坏前的很小的范围内出现，因此是一个典型的灾变前兆特征。这就为灾变破坏的预测提供了重要的线索和依据。

图6 岩石表面垂直于破裂带方向的条带平均正应变表现出的临界幂律奇异性

更进一步，在岩石表面划分条带（如图6左），实验发现，垂直破裂带方向的条带平均正应变构造的响应函数也表现出临界幂律奇异性（图6右）。这表明，岩样的表面变形场也具有灾变破坏的前兆特征。按照这种条带分析方法，如果利用断裂带附近的GPS数据计算位移场和应变增量场并进行类似的分析，就有可能找到地震的前兆信息。这就是这个研究的思路。

图7给出了利用GPS数据对龙门山断裂带附近区域进行条带分析的结果。左图表明条带的响应函数表现出与岩石试样类似的临界幂律奇异性，右图给出了出现奇异性的区域。

图7 利用GPS数据对龙门山断裂带附近的条带分析表明，汶川地震前，条带的响应函数表现出临界幂律奇异性

白以龙院士利用岩石试样进行的灾变破坏实验和利用汶川地震的GPS数据进行的变形场分析说明，用空间大地测量方法获取的GPS或北斗卫星的数据进行地壳变形的监测和分析，也能观测到大地震发生的特征性前兆。

白院士报告后，大家进行了热烈的讨论。

何满潮院士：“白院士的报告绝对没有问题。问题是GPS测的位移场如果不是引起地震的力源，就可能有位移但不发生地震。”

白院士：“从日本311大地震、汶川地震的GPS位移与同震案例看，它确实能反映它里面相关能量的释放是同震的。它跟地震能量的储存，可能也是相关的。问题是，我们的GPS数据，空间太稀，时间更稀。对汶川，我们现在在时间上，只在两个点之间能看到幂律奇异性，所以做了七八年了，但一直不敢发。”

何满潮：“您刚刚说这个例子恰恰说明这个应变场的变化就是日本地震力场引起来的，证明它确实满足必要条件。要说明充分条件，要反过来说，先发现位移场，有这个变化了，确认地震发生了，证明它的充分性。”

看来，观测的不充分是当前地震预报研究探索迫切需要解决的问题。我国的北斗系统正在快速发展，对此，我们充满期望。

建立起科学、高效的观测网，结合入地观测与空间对地观测两种方法，加强监测、追踪分析，地震预报科学难关是能够被攻克的。

*中国科学院力学研究所