汶川地震八周年祭－为了不让生命再被地震夺走

2008年5月12日，共和国成立以来破坏力最大的地震瞬间就夺走了八万人生命。地震能不能科学预报，再次成为地震工作者不能回避的问题。

50年前邢台地震，周总理要求科技工作者：“希望在你们这一代解决地震预报问题”。地震工作者努力攻关，工作中有成绩、更多的是失败和挫折。

在不能准确预报的情况下，漏报和虚报都会造成损失，而虚报往往多于漏报。正如一位网友所言：“当前的地震预报，一旦预报不准，每一次都会造成极大的社会问题，而政府则为每一次虚报造成的社会影响头痛。”

美国Science杂志在创刊125周年之际把“是否存在有助于预报的地震先兆”列为125个最具挑战性科学问题之一。有助于预报的地震先兆应该与地震发生有确定的关系。

中国地震局地球物理研究所陈运泰院士指出：“地震学家渴望探索、寻找到一种确定性的地震前兆－可以在所有大地震前必被无一例外地观测到，并且一旦出现这种异常现象，必无一例外地发生大地震。”^[1]

中国地震局地质研究所马瑾院士指出：“地震是突发形式表现的构造变形，有一个由慢变快的物理过程，怎么能没有先兆呢？…岩样压裂实验变形过程存在稳态、亚稳态、亚失稳态、失稳态4种状态(见图1(a)和(b))。它们分别以应力-时间曲线上的偏离线性点(屈服点M)、峰值应力点(强度极限点O)和（失稳点B)分割。众所周知，在稳态阶段，断层处于弹性变形阶段，只要外力撤除，变形立即恢复。在亚稳态阶段断层处于偏离线性阶段，外力撤除，一部分应变立即恢复，另一部分以缓慢方式逐步恢复，而局部损伤区无法恢复，进入亚失稳阶段，即使外载不再增加，断层亦可进入自失稳演化阶段。随着变形程度增加，断层由准静态释放转变为不可逆转的准动态释放，最终失稳。从亚稳态转变为亚失稳态的核心是发震断层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。”^[2]

图1 一次黏滑事件中差应力-时间过程(a)及变形阶段的划分. (b)为(a)中红框所示时段的放大; (c) 断层结构、加载方式; (d) 沿断层不同测点应变随时间的变化. 字母表示关键变形时刻, L, 起始点; M, 屈服开始点; N, 强屈服点; O, 强度极限点; A, 准静态向准动态释放转换点; B, 失稳点（引自文献[2]）

马瑾强调，识别地震前断层所处的应力状态是关键，观测地层应力、应变变化，识别亚失稳阶段极为重要。

马院士接着指出：“亚失稳态(OB)是断层发震前的最后阶段，亦是地震前各物理量变化最突出的阶段。因此，亚失稳阶段应是震兆最丰富，变化最激烈的阶段。”能够接收到这个变形阶段发出的应变（或其它）信号，就有可能寻找到“有助于预报的地震先兆”。^[2]

问题是我们能否观测到断层进入自失稳演化阶段发出的信号，即使观测到了，又是否能识别。识别出已进入亚失稳阶段，距离破裂的时间究竟还有多长，是几分钟还是几个月都影响这种地震先兆“是否有助于预报”。

这些问题的解答只能在强震现场地震发生前后，连续应变观测获得的大量应变数据分析中获得。汶川地震前后，离震中150千米的姑咱台分量钻孔应变仪记录了九年连续应变数据，从数据分析中认识到：大自然在汶川大地震发生前确实向人类发出了“有助于预报的地震先兆”。对此，我们经历了如下四个认识阶段：

1）发现应变记录异常

中国地震局十五“数字地震网络工程”在全国布设38个分量钻孔应变观测台。离汶川震中最近的姑咱地震台，分量钻孔应变仪于2006年10月28日安装，当年11月1日产出数据。图2是距汶川地震还有15个月时，2007年2月1日至3日的应变记录，固体潮记录十分清晰，只在3日的数据上有一个很小的不易发现的压性小台阶。

2.姑咱地震台分量钻孔应变仪2007年2月1日至3日的应变固体潮记录，曲线清晰而光滑。

离地震发生时间靠近，原先清晰光滑的固体潮记录变得不规则，固体潮上叠加了越来越多、幅度越来越大的脉冲和阶跃。图3是距汶川地震还有11个月时，2007年6月24日的应变记录。图3是将4路应变分量分离为球量（应变1＋应变3）、（应变2＋应变4）和偏量（应变1－应变3）、（应变2－应变4）绘制的。球量（应变1＋应变3）、（应变2＋应变4）都等于平行于地面的面积应变。（应变1＋应变3）＝（应变2＋应变4）就成为检验四路应变数据是否自洽的条件方程。―只要观测数据满足自洽方程，记录到的应变就是地层中真实出现的应变变化。

图3.2007年6月24日的应变记录，阶跃数量增多、幅度更大。1+3面应变与2+4面应变高度相关，说明记录到的是地层真实的应变变化。

图3中474分钟出现的压性阶跃到481分钟完成，耗时7分钟，阶跃幅度6.4×10^-9应变。这类时间常数达数百秒的应变变化通常由经典地震仪监测不到的“慢地震”产生^[3-5]。姑咱台应变探头安装在坚硬的花岗岩地层40米深处。在地面临近钻孔处施加载荷，让探头产生6.4×10^-9应变，需要施加上千吨载荷。如果当时认识到这种应变阶跃是地质、地震活动的反映，就会在附近地区增设分量应变观测点，加密观测，进一步对比确认是否异常，并获取更多信息。可惜，有关的分析报告将此异常归为水位干扰，未作进一步部署。但此后的发展表明，情况越来越严重。图4是2008年2月14-18日的应变记录。记录的固体潮曲线上叠加了大量脉冲和阶跃，就像患严重心脏病人的心电图，正常的固体潮记录已完全变形。

图4. 距汶川地震不到3个月时，2008年2月14-18日的应变记录，正常的固体潮记录已完全变形。

姑咱台分量钻孔应变仪是博主设计、制作、安装的，仪器有没有问题？必须稿清楚。博主于08年3月16日携带外接数采设备到四川姑咱台检查，发现仪器无故障，工作正常。与有关方面联系，建议尽快增设比对观测，确认或排除异常。但不久，汶川大地震就发生了。

造成巨大灾害的汶川大地震没有成功预报，再一次引发社会和地震界内部对大地震能不能成功预报的争论，焦点之一是汶川地震之前到底有没有异常信号？有没有地震前兆？

2）认识到姑咱台分量钻孔应变异常是汶川地震前兆

中国地震局反思、总结，局内科技人员根据汶川临近台站应变观测数据的科学分析、震后第一批关于姑咱台分量应变异常是汶川地震前兆的文章发表。

2009年8月（收稿日期2009年3月），《大地测量与地球动力学》上发表中国地震局地壳应力研究所邱泽华、周龙寿的文章“用超限率分析法研究汶川地震的前兆应变变化”。文章指出：“汶川地震前，姑咱台钻孔应变仪观测到频繁的周期从数分钟到数小时的脉冲变化，经过高通滤波，可看出姑咱台钻孔应变仪观测到的脉冲异常变化与汶川地震有明显的相关性。…用超限率分析法，对这种前兆异常进行了系统的、定量的分析。这种前兆现象其统计特征与岩石破裂前的声发射现象类同。可能反映了地震前小尺度的岩层破裂。对姑咱台观测到的地震前兆信号的确认，可为地震预报提供新思路和新方法。有特别实际意义的是：这种对短周期信号的超限率分析，避开了在长趋势变化分析中难以识别零漂的困难，并且容易与各种常见的干扰影响区分开，是一种比较可靠的分析方法。”^[6]

2010年5月（收稿日期2009年9月），《中国科学：地球科学》上发表邱泽华、张宝红、唐磊的文章“汶川地震前姑咱台观测的异常应变变化”。文章指出：“在全国100多个钻孔应变台中，姑咱台距震中最近，也只有该台记录到这种异常变化。该台钻孔应变观测的良好的自检结果，说明了观测应变变化的可靠性。这种持续出现的异常变化与季节变化明显不同步，不是环境干扰因素造成的。异常变化与长期趋势变化以及同震阶跃变化的一致性，进一步说明这种异常应该是构造运动的表现。这种异常变化在汶川地震主震前逐渐增大，震时特别剧烈，震后逐渐衰减，显示了与该地震相当密切的相关性。姑咱台的观测应变变化与唐山地震前观测到的应力变化有相似之处，说明这种异常可能具有普遍意义。姑咱台观测到的异常应变变化可能是极其重要的。如果应变地震前兆是这种形态的，那么中短期地震预报研究就有希望迈出关键的一步。这不仅因为这种应变变化包含丰富的信息，还因为它与正常变化以及众多干扰影响都不同，容易识别，并且是持续发展的，使我们有可能把握其进程作出比较可靠的判断。”^[7]

2011年8月（收稿日期2010年12月），《大地测量与地球动力学》上发表中国地震局地震预测研究所刘琦、张晶的文章“Ｓ变换在汶川地震前后应变变化分析中的应用”。文章引入时频分析中的Ｓ变换方法，“对距离汶川震中1500km范围内的20余个台站的四分量钻孔应变数据进行分析。结果表明，只有姑咱台的观测记录在汶川地震前显示比较明显的异常，其特点为：在周期为2～4小时的背景信号的基础上，周期约10～60分钟的信号在汶川地震前开始大量出现，震后逐渐衰减；且频率越高的信号震前出现越晚，震后衰减越快；背景信号的能量最大，其能量值整体随着接近地震有明显的上升趋势，主震之后由于受余震的影响，使得部分时间点的震后能量大于震前能量，但能量值整体呈现逐渐衰减的趋势，与汶川地震有较好的相关性。…通过仪器的自检关系，基本排除了姑咱台仪器故障的可能性；…这类畸变信号应该是与地震密切相关的。这种异常变化可能与地震前区域应力调整，不同尺度的岩层破裂以及岩层中不断发生的次生裂隙有关。”^[8]

以上科技文献均认为姑咱台钻孔应变异常与汶川地震密切相关，“确认汶川地震前姑咱台钻孔应变仪观测到的频繁的脉冲变化，是地震前兆信号。”

距离汶川震中1500km范围内的20余个四分量钻孔应变台站，只有距震中150千米的姑咱台观测记录在汶川地震前有明显前兆显示，为之后地震前兆监测网建设台钻间距的确定提供了重要参考。

也有认为姑咱台分量钻孔应变数据不存在异常情况的文章。

2011年5月（收稿日期2010年3月），《地震学报》上发表四川省地震局预报研究所所长程万正等的署名文章“汶川Ms8.0地震前四川地区前兆异常及其统计分析”。文章的主要结论是：“震前仪器微观监测台或测项多数没有观测到突出异常现象。本文中其它没有提及的观测手段或观测项的资料，经过研究也没有分析检测出异常项。…震前仪器微观监测台或测项大多数没有监测到短临异常，…与龙门山断裂带观测手段或测项少有关。”^[9]

但文章对位于龙门山断裂带上的姑咱台分量钻孔应变仪观测数据却没有作具体分析，归于“没有提及的观测手段或观测项”，与四川地区21个钻孔应变台一起，在文章表1中列为没有异常的测项。

文章对形变类仪器均采用日均值数据作异常分析，而姑咱分量应变异常主要是延续时间数分钟至数十分钟的脉冲或阶跃信号，在日均值中这些信号均被抹去，这种不科学的分析只会得出错误结论，遗害无穷。

3）姑咱台钻孔应变异常是汶川地震成核过程中发出的确定性地震前兆

历史地震记载及半个多世纪地震预报实践已经证明强震是有前兆的。但地震前兆种类繁多且常因地而异。既存在有前兆有地震、无前兆无地震；也存在有前兆无地震、无前兆有地震的情况。实现地震预报需要找到与强震孕育有直接关系的确定性地震前兆。

地震学研究指出，要发生大地震，必须存在成为地震“种子”的破裂过程。破裂首先在断层面的“脆弱区域”发生，随着区域构造应力增大，通过震前断层蠕动、静地震与慢地震活动等方式，脆弱区范围逐步扩大直到边界应力集中，微裂隙区域不断扩展，达到岩石强度时，地震发生。^[10-11]

地震发生前的这一过程称为“地震成核”。地震成核是地震孕育过程中的一个至关重要的阶段，也是地震失稳破裂的一个必要条件。一些作者认为，“脆弱区域”的发生和扩大的尺度可以达到强震破裂带长度的十分之一。按此估算，汶川大地震前，破裂脆弱区域的尺度可以达到30千米。

汶川地震的成核过程中伴随大量断层蠕动、静地震与慢地震活动的应变扰动要传递到姑咱台，就要通过微裂隙不断扩展的介质连续性遭到破坏的区域。

四分量钻孔应变观测数据满足自洽方程：

S1＋S3＝S2＋S4                          （1）

钻孔应变观测的计算公式是在李四光力推钻孔应力应变观测年代，由力学家潘立宙根据弹性力学中无穷大弹性薄板中圆孔变形的模型导出。可由3个以上不同方向孔径变化计算地块应变变化，奠定了我国地应力地应变观测的理论基础。（潘曾任上海应用数学和力学研究所副所长，所长是钱伟长）^[12]

半个多世纪来，无论是初期的压磁应力仪还是新型的电容式应变仪，都要依靠潘氏公式处理观测数据。

在潘立宙的理论推导中隐含了一个前提：无穷大弹性薄板是均匀、连续的。均匀、连续假定是实际地层状况的一种近似。

我国分量钻孔应变前兆台网建成后，一批在地震活动平静期多年观测的台站数据表明，无论是几天的短期数据还是多年的长期数据，k值都能超过0.99，说明均匀、连续性假定是足够精确的。

但强震孕育地区却不会始终满足“均匀、连续”假定。强震孕育必定在“存在裂隙，裂隙系统甚至在不断扩展”的区域中发生。那么，在强震孕育或邻近地区的分量钻孔应变观测数据是否会出现S1＋S3≠S2＋S4，即自洽方程（1）遭到破坏的情况呢？

如果发现自洽方程随时间发展破坏程度越来越大，就能知道台站所在区域地层出现“裂隙系统在不断扩展”的情况而引起高度注意。

2014年9月，博主重新检查姑咱台原始观测数据，发现自洽方程（1）的确随着强震临近，遭到越来越严重的破坏。图3、图5、图6是S1＋S3与S2＋S4相关系数k值随强震临近逐步降低的情况。

图5. 2008年2月18日的应变记录，1+3面应变与2+4面应变的相关系数k已降低至0.9745。

图6. 2008年4月24日的应变记录，1+3面应变与2+4面应变的相关系数k已降低至0.8824。

到2008年4月24日，（1+3)和（2+4)两路面应变曲线差别更为明显，k值已降到0.88。（图6）18天后，汶川大地震爆发。

姑咱台接收到的应变信号中包含了来自不同应变源的成分，强震到来前自洽性下降的是那些“脉冲和阶跃”异常应变部分，当观测数据中不含有这些成分时，自洽性并不下降。

图7是2008年5月4日的应变数据。5月4日，离强震发生还有8天，是临震前没有出现脉冲、阶跃等异常应变罕见的一天。两路面应变的相关系数k＝0.99978。说明造成应变数据失洽的是脉冲、阶跃等异常应变部分。

图7.姑咱台2008年5月4日应变数据，强震发生前夕固体潮上没有出现阶跃、脉冲罕见的一天。

两路面应变相关系数高达0.9998。

正是汶川地震成核区不断生长扩大，破坏了介于震源和姑咱台之间介质的连续性条件，导致了姑咱台观测到的应变脉冲和阶跃数据从自洽向失洽转变。^[13]

姑咱台应变数据中脉冲和阶跃成分从自洽向失洽的转变，说明附近地区地震成核过程正在进行中，失洽度快速增大说明成核过程即将完成，强震即将爆发。

如果我们在汶川周围有多个钻孔应变观测台（或及时增设观测台），同步记录到这些应变扰动，就有可能定出这些慢地震的位置，圈出孕震成核区的范围，把握成核区的扩张情况，对于确定未来的震中位置及震级大小都将起到重要作用。

遗憾的是，到目前为止该地区仍只有姑咱一个钻孔分量应变观测台。根据陈运泰院士分析，汶川、芦山以南，龙门山断裂带西南段宝兴-小金一带存在发生M_W6.7~7.3地震的潜在危险性^[14]。加强该地区的应变前兆观测迫不及待。

4）姑咱台应变前兆正是地震界努力寻找的“有助于预报的地震先兆”

2016年初，马瑾院士在《科学通报》上发表“从‘是否存在有助于预报的地震先兆’说起”。岩样压裂实验变形过程存在稳态、亚稳态、亚失稳态、失稳态4种状态，进入亚失稳阶段，即使外载不再增加，断层亦可进入自失稳演化阶段。只要找到地层应力值达到强度极限点O的特征信号，就能确定强震不可避免地会发生。捕捉到的地震前兆就是“有助于预报的地震先兆”。

受马院士文章启发，博主重新检查姑咱台7年原始观测数据，果然找到了地层应力值达到强度极限点O的特征信号。

文献[6]指出，“这种前兆现象其统计特征与岩石破裂前的声发射现象类同。”对岩石加载破裂全过程声发射现象的研究指出，在加载接近峰值强度时监测到的声发射事件率明显下降，出现声发射相对平静期，岩土工程据此预测工程灾害事件。^[15-17]

将汶川地震孕震过程与岩石破裂实验类比，应变脉冲异常事件看成岩石破裂实验中的声发射现象，出现脉冲异常事件平静阶段，表明加载已达峰值强度。此时段与马瑾先生岩石破裂实验中的“强度极限点O”对应。

平静期后事件计数恢复上升表明加载已越过峰值强度，进入“准静态向准动态释放转换点A”，最后不可避免进入失稳点B，岩石破裂。

在2007－2013年7年中，姑咱台附近发生了2008年5月12日汶川8.0、2013年4月20日芦山7.0两次强震。在这两次强震前后，姑咱台每天应变固体潮上脉冲和阶跃都不少。汶川地震前18个月中，共出现阶跃、脉冲3766个。平均每天6.9个。但在汶川大地震发生前的2007年11月，却出现连续五天固体潮记录曲线上没有一个脉冲和阶跃的“事件平静期”。在芦山7.0强震发生前的2013年2月，也出现了连续多天固体潮记录曲线上没有一个脉冲和阶跃的“事件平静期”。图8是芦山地震发生前2013年2月10-14日的连续记录数据，固体潮曲线十分光滑和规则，上面没有一个阶跃或脉冲。汶川地震发生前“事件平静期”期间的固体潮记录也是如此规则与光滑。

图8.姑咱台2013年2月10-14日芦山地震前事件平静期的应变数据，连续五天

固体潮上没有出现阶跃或脉冲。14日21:13记录到俄罗斯东北部7.3级地震。

就像大战前战场死寂般平静预示大战即将爆发，“事件平静期”出现，则告知我们地层承受应力的能力已达极限。平静期后，事件计数恢复上升表明地层加载已越过峰值强度，失稳已不可避免。

马瑾先生岩石破裂实验中从地层应力值达到“强度极限点O”到破裂发生的“失稳点B”，只有6.4秒钟时间（见图1）。汶川地震事件计数出现平静期到强震发生还有五个月，两者时间相差二百万倍。

岩石破裂实验应变加载速率为10^-7╱s，大地构造运动的应变速率通常在10^-13～10^-15╱s，两者加载速率相差也达百万倍。大自然和人类活动不同的时间标度，给了我们防备强震袭击的时间。

震前异常事件计数出现平静期，之后事件计数又恢复上升直至地震这一现象，是汶川、芦山地震发出的“有助于预报的地震先兆”的又一标志。

汶川地震前后附近只有姑咱一个分量应变观测站，如果有多个观测站，记录数据就能互相比对，立即引起各方高度重视而进入加强监测状态。多台仪器同步记录将能确定应变源位置及成核过程的动态发展，更准确地确定震源位置等重要参数。

我国是地震灾害很严重的国家，防震减灾工作时刻不能忽视。在掌握了地震孕育与发生的规律后，只要在地震危险区适当位置布设精密观测仪器，我们就能观测到，并能识别出“有助预报的地震先兆”，从而挽救人的生命，减少财产损失。

实验室岩石加载实验与强震发生现场条件存在巨大差异。孕育地震的地质构造类型众多，从汶川、芦山地震观测实践中得到的认识，具有普遍性还是特例，还要回到实践中接受检验、充实完善。

地震科学是观测科学。在观测仪器性能达到科学性要求后，加速观测台网建设，布下“天罗地网”，不放过每一个强震震例并仔细解剖，总结出强震孕育的可相互验证、更为全面的认识和规律。世人关切的地震预报难题就能尽早破解。

参考文献

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