一个被遗忘的视角—

地应力与卫星轨道摄动

 

李四光：监测地应力... 1

逆向思维：“入地”VS“上天”... 3

费解的寂静... 4

尴尬：科学家还是科研体制... 12

卫星数据：一个值得关注的方向... 13

 

汶川地震后，人们开始反思地震预测方法，提出了各种研究方案。然而，正如赵文津院士指出的，这些方案都“没有考虑‘地应力’这个内容”。（赵文津《从汶川地震失报探讨地震预报的科学思路---再论李四光地震预报思想》）

李四光：监测地应力

地下岩层突然发生断裂，在极短时间内释放出大量的能量，产生了地面位移和错动并辐射出地震波，构造地震就是这样产生的。这叫做地震的断层成因论。多数地震学专家对此都无异议，差不多已成定论。至于断层的产生，一般都假设是由于构造运动使地球内部的切应力慢慢积累并在某些地区集中。当积累的应力超过一定的限度时，便产生了断裂。

可见地应力是地震孕育过程中的重要因素，全面而连续地监测地应力的变化，是探讨、检验各种理论假说的基础条件，也是地震预测的基础条件。邢台地震后，李四光提出：一要调查研究地下发震层以上地层岩层的力学性质及破裂强度；二是要抓地应力场及其变化，并研究两者的关系。地质部地质力学研究所在李四光指导下，立即在河北隆尧尧山建立了压磁地应力观测站。据国家地震局黄相宁称：

到1976年唐山地震前后，我国共建立110个地应力观测站。这些地应力观测站，大部分是在1971年李四光逝世前所建，其余较多是在1976年唐山地震前后所建。然而到2006年，仅存5站还在进行地应力观测。（《我所经历的地应力分析预测地震之发展》地壳构造与地壳应力 2006年2期）。

据广西地震局劳王枢提供的数据，我国有25个GPS基本站、56个GPS基准站、1000个GPS区域站；但只有70个应力应变观测台站。（《关于地震监测预报体系建设的思考》软科学研究第78期 2007年7月）

可见，李四光主张的地应力监测现在事实上被边缘化了，代之以用GPS技术监测构造变形。这次汶川地震之所以失报，一个重要的原因是：有关方面对GPS观测（见图一）的解读为：“鲜水河断裂带上水平剪切应变大”，而汶川地区“无应力应变积累。”从而放弃了对汶川地区的监测，虽然2007年下半年已出现了一些前兆现象，而且这些前兆异常还在持续发展中，都被放弃监测了！（赵文津《从汶川地震失报探讨地震预报的科学思路---再论李四光地震预报思想》）

图一：青藏高原东部GPS位移速度图

（摘自赵文津《从汶川地震失报探讨地震预报的科学思路

---再论李四光地震预报思想》）

对此赵文津分析道：

“在地球介质极不均匀的情况下，应力与应变关系很复杂，很难从GPS观测成果直接联系到应力的大小和方向。汶川地震预报失败说明利用GPS结果的局限性。再不能继续沿着这一条思路走下去了！”（同上）

然而，当初人们为什么放弃了李四光的研究思路？一个重要的原因是地壳的“不可入性”。

“浅层具有破坏性的地震都发生在十几至几十公里深度的地壳内，可以想象，那些大大小小的断裂都是经过漫长的地壳运动，当然也包含着若干次地震而生成的，显然，地壳运动可以产生断裂，断裂也可以引发地震。

人们尚无法取得震源区的岩石介质的性质、破裂强度、应力状态和积累速度，以及其随时间的区域演化状态，再者整个地壳都在运动，应力存在于地壳的每一点上，目前尚不能取得一个地区的应力图像及其随时间的变化，更无法取得更多地区的应力图像和变化，以及它们可能破裂发生地震的顺序，以及震后应力调整、重新分配的过程与状态。”

（马廷著《感受地震预报》）

对如此大范围、大纵深的地壳。监测其内部应力变化，难度可想而知。具有破坏性的地震都发生在十几至几十公里深度的地壳内，而全球最深的钻井在苏联的科拉半岛上，深仅12.869公里，钻了15年多。至于我国，最深的科研钻井在5-7公里间，汶川地震后正在打的科学钻井，计划深度在800m至3000m之间。至于深井的成本，世界第二深井，德国大陆超深钻井计划耗资5.28亿马克。显然，靠钻井来建立足够密集和广泛的地应力监测网，存在难以逾越的障碍。

那出路何在？

逆向思维：“入地”VS“上天”

从系统动力学的视角看，一个现实的动态系统，其状态变量往往无法直接测量，这时就提出了“可观测性”问题，即能否通过观测其它变量，推算出系统的状态变量。1947年，李四光和Hast提出用地壳构造形变反推构造应力场迹线方向，其实用的就是这一思路。

随着卫星重力测量技术的发展，人们研究了如何从重力场推算应力场，1982年，黄培华、傅容珊等等计算了壳下地幔流应力场（黄培华、傅容珊《应用卫星重力数据研究全球岩石层下地幔流应力场》中国科大学报，12．12．1982．）

1999年，中国地震局地震研究所向文、李辉发表《重力场与构造应力场内在关系的理论研究》（地壳形变与地震第19卷第1期1999年12月）根据地球动力学原理，提出了重力异常变化量向构造应力场应力降转化的理论模型。

1994年，中国地质大学游永雄发表《重力场转换区域构造应力场的研究》（地球物理学报第37卷增刊I）。建立了以重力位水平梯度变量为主要参数的新模式，计算了三维区域构造应力场迹线方向及其等值线图。并提供了华南、华北东部盆地、东北三地，地壳深部和浅部的应力场图。

在此基础上，文中还进一步讨论了用低轨道卫星摄动数据计算地壳构造应力场的方法。

1995年，游永雄发表《应力遥感监测地质灾害的研究及实验》（中国地质灾害与防治学报 第六卷第四期 1995.12）。文中用气象卫星NOAA-10轨道摄动数据计算绘制了1989年5月～1990年5月京津唐地区应力降动态图。作者将其与地面复测网得到的应力降动态图比较，结论是：

“其应力降动态数量级吻合很好，但动态等值线形态有差异。深入分析可看出，卫星遥感动态图显示更细致，内容更丰富，更符合实际情况。”

文中还用同样的方法监测1989年大同6.1级地震前后唐山市应力降动态，计算绘制了唐山市1/5万比例尺应力降动态图。与已有的图比较，“对应关系良好。”

游永雄的这些工作引起了笔者的关注。面对幅员辽阔而“不可入”的地壳，如果用卫星轨道摄动数据能够计算绘制其应力场和密度分布图，就等于提供了连续、大范围监测地壳深部动态的技术手段。这种监测能力无论对防灾减灾还是对能源、矿产均有重大价值，对中华民族在这片土地上持续生存，具有不可估量的意义。

据美国关注科学家联盟组织2007年初公布的世界卫星数据库显示，目前环绕地球飞行的共有近800颗各类卫星，其中413颗属于美国。俄罗斯次之，共有87颗，中国位居世界第三，有34颗（《太空安全知多少》2009年02月24日人民日报）。

卫星不受地形、气候的影响，以前很难获得数据的荒漠高山及海洋地区，均可一体监测，而且卫星观测资料空间分布均匀，观测结果具有同一性，能迅速成图，使分析人员能实时应用。

与其它监测方案相比，成本低廉是它极大的优势，它无需建设监测站网，无需人员值守，也无须设计、发射专用卫星—--任何一颗卫星只要轨道高度在500km—300km间，均可使用。超出这个范围也行，只是太高精度差，太低干扰大。此外一些国家部分卫星的轨道数据是公开的，如美国极轨气象卫星NOAA。这使我们能用极低的成本，进行连续而全面的监测。唯一需要的成本是大规模的数值计算，而这一“产能”我们已经拥有，无需大的投入。

费解的寂静

5.12汶川地震后，笔者寻找与地震预测相关文献时发现了游永雄的工作。笔者被其巨大的潜力打动，但也对这项工作的可信度存疑。因为笔者不是地球物理学者，没有相应的专业鉴别能力，笔者希望看到其他同行学者的评价。

然而近一年过去了，在笔者能查到的专业刊物中，未发现哪怕只言片语的相关评价，无论是肯定、否定还是提出修正意见。游永雄的这项工作最早公布于1994年，至今已经15年了，如此的沉寂，令人费解。

或许，游永雄的工作太过专门化，人们难于理解其潜在的价值？或许，反演算法普遍存在难以确定其结果“唯一性”的问题，使人们抱持谨慎的态度？

1998年，游永雄等发表《应力遥感监测滇西北地震前兆场》（中国科学(D辑)第28卷第4期）。以1996年2月3日丽江M_S7.0级强震和1995年10月23日武定M_S6.5级强震为对象，应用气象卫星轨道摄动反演地壳区域构造应力降动态场，并绘制地震前、后应力降动态特征（见图二）。

图二：卫星监测地震前、后应力降动态图

(a)1996年丽江，(b)1995年武定

应力降等值线间距为0.1MPa；

图(a)实线为地震前兆应力降异常动态值,点线为地震后应力降值；

图(b)实线为地震前兆应力降异常动态值,虚线为地震前兆应力降异常动态负值

文中给出了地震前兆应力降异常波动与发震时间图（见图三）；两个案例均在震前数天发生应力降异常波动。

图三：地震前兆应力降异常波动发震时间图

(a)1996年丽江、(b)1995年武定

有报道称，他用这个方法研究了丽江、武定、盂连、澜沧、耿马五个强震前兆，并绘制其地震前、后应力降动态特征图及其应力降异常波动发震时间图。获得6条临震前兆特征，并估算预测地震三要素的精度指标；震中误差δ<50km，震级误差δ<±0.5级，发震时间误差δt<±7天。

除了地震预测，游永雄还关注这一方法在地下能源探测方面的应用。他主持“八·五”地矿部项目“福建连江地热勘探”取得成功，于1992年春打出两口大蕴量3800t/d和4000t/d高压300Kpa优质的64℃热水井，并建成闽江口连江温泉城。

2002年，游永雄等发表《地壳应力场和密度场资料在油气检测中的应用》(石油物探第41卷第4期2002年12月)。课题组计算绘制了闽江沿海扇形洲区域构造应力场卫星遥感图（见图四）。

图四：闽江沿海扇形洲区域构造应力场卫星遥感图(等值距为lOOkPa)

与探测结果对比，图中在应力相对高值带内的连江岱云村，地热井钻探100m附近以300kPa的3个大气压向地表喷出大量天然气；而应力低值带（川石至官岭方向），游永雄等发现川石的石沥青，官岭的地沥青、沥青脉油苗都在这个构造带内，石油地质104队在川石岛凝灰岩中发现5处油浸沙岩，钻探5口探井钻出沥青油苗，其中一口钻在710m段深处发现沥青油苗，这些油苗迹象也都在这个应力低值带内。在这个带内，官岭与定海湾间海域有大量贝壳群，根深达70～100m，这些生物群是下部藏油的标志之一。

课题组还计算绘制了闽江沿海扇形洲区域油气储集层密度场卫星遥感图（见图五），其结果与应用地球物理大地电磁CSAMT型系统探测结果相符。

图五：闽江沿海扇形洲区域油气储层密度场卫星遥感图(等值距为10kg.m^-3。)

可见用卫星轨道摄动数据可快速、低成本、大范围地探查应力、密度分布，这是探查油、气、可燃冰的重要依据之一。由此，游永雄得出结论：

“据卫星轨道摄动测量结果反演的地壳区域构造应力场和密度场资料，可圈定油气区域构造圈闭和储集油气的低密度层。”

上述两个案例不但展示了这一技术的潜在价值，也在一定程度上回答了可信度问题——计算绘制的分布场与地震事实和勘测结果高度相关。

或许，人们对这一技术的精度存有疑虑，如此大范围的监测，采样精度能否满足需要？

极轨气象卫星每天可巡视地球两圈。游永雄构想：用一组12颗均匀分布的卫星，每天可用24条均匀分布的轨道覆盖全球，在每条轨道上可每公里一次采样。目前还没有任何一种地面技术能得到如此密集的全球采样。游永雄指出：这样的卫星组共有60组。而大量的冗余观测是提高精度的基础。

尴尬的“接轨”

游永雄很早就在关注构造应力场的动态监测。

1990年中国地球物理学会第六届学术年会上，他发表了《区域构造应力场的动态监测》。论文在特科特重力场转换应力场的定性公式的基础上,推导出重力水平梯度矢量与地壳构造应力场水平分量的关系。据此可推算各地区地壳各层的构造应力场。还推导出存在时纬动态的垂线偏差时直接计算构造应力场的公式。

到如今已经20年过去了，对构造应力场的全面动态监测依然付阙。原因何在？

回顾过去二三十年的科研实践，能清晰地看到两个“接轨”：“与国际接轨”、 “与市场接轨”。

当年，李四光强调“（美国和日本）各有各的观点和作法。我们只能根据我国的实际情况进行摸索，不要先划框框，要从实际出发。……（对他们的作法）我们虽然不否定它，但也不必重视它。”（转引自赵文津《从汶川地震失报探讨地震预报的科学思路---再论李四光地震预报思想》）

这位曾留学日本、英国、苏联，数次赴欧美讲学、参加学术会议和考察地质构造的“海归”学者，显然立足于实际的国情和国家的战略需求；显然有足够的学术自信；显然不在意“与国际接轨”。在李四光的领导下，我们的地震学曾经站在世界的前列。

而今，李四光这样的视野、胸襟和气度，在我们的学界还剩多少？从理论到工程，从研究选题到成果评价，无不在努力“与国际接轨”。相关传媒则时不时热炒诺贝尔奖，人们似乎忘了，诺贝尔不过是一个火药商人，他在20个国家开设了约100家公司和工厂，靠卖火药大发其财。1901年设立诺贝尔之时，正是八国联军倚仗洋枪洋炮打进北京之际。

人们看到的是，在“与国际接轨”的方向上，能得到巨额的拨款和投入，似乎中国已经不是贫穷的发展中国家，已经象赵本山宣称的“不差钱”了。

“不差钱”的法国搞了“地球透镜计划（GEOSCOPE）”、日本搞了“海神计划”、美国也开展了为期15年的“地球透镜计划”。这些计划的核心目标不是预测，而是“观测”，是“为将来预测地震和火山的爆发提供一个坚实的基础”（《2004年美国地球透镜计划进展综述》中国地震信息网http://www.csi.ac.cn/kjdt/kjdt/182.htm）。

为“与国际接轨”，我们于2001年7月立项展开“中国数字地震观测网络工程”，其目的同样是“观测”，是“地震速报”。到2008年04月，工程通过验收，项目总投资22.8亿元。（新华网北京2008年4月11日电 记者孙闻）。而游永雄关注的构造应力场的动态监测，难于“与国际接轨”，所以至今难有作为，虽然这个方向所需要的钱远低于在地面打井布网。

什么时候，中国的学界才能有自己的主见，从自己的实际出发，研究事关中华民族生存的战略性问题，而不是热衷于“与国际接轨”，扮演别人的追随者与打工仔？

“与市场接轨”必然是资本利润挂帅。而资本拥有者已经证明了他们的短视与贪婪。指望他们从民族长远战略出发做出选择，根本不现实。于是人们看到，只有能立刻换得利润的“短平快”项目，才能受到资本的青睐，至于构造应力场的动态监测这样的事，那个资本家会感兴趣？

事实上，缺乏国家投入的游永雄的课题组，曾经指望在“八·五”地矿部项目“福建连江地热勘探”的基础上建立一个基地，以便持续、深入研究地热资源和地下油气资源问题。当初也曾与地方政府达成协议，做出过相关的安排。然而打出热水后，经过复杂的行政、经济关系变动，课题组已经无法进入井区，研究被迫中止。

可以想见，一群书生组成的课题组，在行政、经济、法律事务上，根本不可能是地方实力派的对手。于是申诉多年，了无结果。笔者无意探寻其间的因果是非，让笔者深思的是：这样一个事关全局的，具有战略意义的研究方向上，学者们为何不得不走这样的途径来寻求研究环境？“与市场接轨”的科研导向下，事关全局、事关战略的研究，出路何在？

卫星数据：一个值得关注的方向

需要再次声明，笔者不是地球物理学者，无意（也无能力）从学术上评价游永雄的成果。在游永雄的工作中，打动笔者的是卫星数据的战略意义。从地震预测的角度看，连续、实时、大范围监测地壳深部动态的能力，其意义无论怎样估计也不过分。而目前监测地表形变的思路已经被汶川地震证明有重大的局限性。

2006年，中国地质大学、中国石油公司石油勘探开发科学研究院西北分院李碧宁、焦养泉、张景廉等发表《松潘一甘孜褶皱带的深部地壳构造特征及油气前景》（新疆石油地质第27卷第6期）。文中提供的四川阿坝-简阳深部地球物理解释剖面(见图六)显示：灌县（都江堰市）地下深部存在巨大的高密高阻异常区，其西北部的低阻低速层有受其阻挡而抬升态势。该文判断：这里存在“深部流体活动”，且推测松潘甘孜地区可能有油气。

图六：四川阿坝-简阳深部地球物理解释剖面

汶川地震后，张景廉、杜乐天等人发表《汶川大地震与中地壳低速、高导层的成因关系初探》（西北地震学报第30卷第4期），在前文的基础上指出：

“汶川大地震可能与映秀逆冲断裂带有关，而映秀逆冲断裂带由于与中地壳低速层相连，这个中地壳低速层是一个巨大的气体库，它是重大自然灾害(也是地震)的内在孕灾体。”

“汶川地区深部应有巨大的天然气储库，如果早些投入勘探开发，由于气体的开采，就不会有今日的压力突然巨量释放，造成今日的地震。”

无独有偶，中国科学院地质与地球物理研究所藤吉文院士等发表了《2008汶川M_S8.0地震发生的深层过程和动力学相应》（地球物理学报第51卷第5期），综合大地电磁测深、天然地震观测与反演、人工源地震深部探测、重力场分析等多种手段，指出了汶川地震与青藏高原东北缘深部物质运移的关系（见图七）。

图七：下地壳和上地幔盖层“刚性”物质由深部向上运移的运动轨迹

和汶川M_S8.0强烈地震的形成模型

这些学者都注意到了地壳深部物质密度的差异和物质的运移，并认为这是汶川地震的肇因。杜乐天学派还进一步认为，它与地下油气藏有关。值得注意的是：中科院遥感应用研究所微波遥感研究室主任邵芸，在“埋头解译”震区雷达遥感信息后，也倾向于认同杜乐天的观点：

“汶川大地震造成的滑坡之多、规模之大、危害之重，史所罕见。如此多的物质运移显然需要巨大的能量，而仅仅是地震能提供如此多的能量吗？显然需要更为深入的研究，才能更合理地解释发生于地震灾区的这些巨型灾难性滑坡。”

她了解到，一些科学家到震区实地作了调查，认为这里的气体起到了很重要的作用，地震中有一定气体爆破，像气浪一样把物质喷发出来。虽然这一观点受到很多非议，但邵芸认为是有一定道理的。（王卉《遥感解译捕捉到异常地震信息，有关专家认为需要更深入研究以给出合理解释》科学时报2009-5-19）

物质运移必然带来构造应力场的变化。如果能连续、实时监测地壳深部的构造应力场与密度场，就给地震预测提供了重要的信息，也有助于地下油气资源的探测。

2009年5月12日，国际地震和地球内部物理学会中国委员会副主席石耀霖院士在“汶川地震学术报告会”上讲到，应力分布观测是地震数值预测的基础条件。如果游永雄的工作能站住脚，地震数值预测就有了广阔的发展空间。

其实卫星数据可监测的不只是地应力与密度。

1999年，中国科学院测量与地球物理研究所方剑发表《利用卫星重力资料反演地壳及岩石圈厚度》（地壳形变与地震第19卷第1期）。提出了大尺度界面反演方法，检验了利用卫星重力位系数计算得到的重力异常图，进而计算绘制了全球岩石圈厚度图。

2003年，方剑、张赤军发表《中国海及邻近海域2′×2′海底地形》（武汉大学学报 信息科学版 第28卷特刊）。利用由Seaset、Geosat、ERS-1和Topex/Poseidon卫星测高结果解算的2′×2′重力资料，进行重力场分离,提取与海底地形起伏相关的重力异常,结合全球5′×5′海底地形结果（ETOPO5）进行反演,得到了中国海及邻域2′×2′高精度、高分辨率的海底地形结果。与船测剖面结果对比,均方差从ETOPO5的96m降至62m。还发现了一条马尼拉海沟向南西方向延伸的海山链。

2007年，中国科学院地质与地球物理研究所王谦身等发表《应用卫星重力异常信息对横断山系地区布格重力异常特异分布的纠正》（地球物理学进展第22卷第2期）。对横断山系没有重力测点的地区，作者们用卫星重力异常资料给出“计算布格重力异常”，描绘了该地区地壳厚度的起伏变化，弥补了实测的空白。

2007年，中国科学院测量与地球物理研究所、中国科学院研究生院段建宾等发表《利用重力卫星观测资料解算中国大陆水储量变化》（大地测量与地球动力学第27卷第3期）。研究者利用GRACE重力卫星2002年4月--2004年7月共计20个月的时变重力场数据，反演了中国大陆空间大尺度陆地水储量变化，给出了华东、华中、西北东部、新疆、西藏、西南和华南各地水储量季节性变化的幅度。

……

用卫星数据监测地表和地下的动态，往往要用到反演算法，而反演算法中“唯一性”问题不可回避。逻辑上有三类方法处理它：或者在算法上追求全局极值、避免陷入局部极值；或者加大采样密度，以降低不唯一性的概率；或者在反演过程中加入利用其他技术手段得到的信息，以降低结果的不确定性。

对于“不可入”的地球，不可能要求某种手段的结果绝对准确、可靠。只能用多种不同的物理手段，从多个角度推算地下情况，并相互比较、印证，以加深认识。对于中国这样一个还有众多人口收入低下的国家，选择技术手段时，成本/效益分析必不可少。在各种物理手段中，卫星信息提供了全面、实时、连续监测的低成本途径。而监测地表和地下的动态，对地震、能源、气象、矿产、国土资源的合理功能定位乃至国防意义重大，值得高度重视。

这里有两个方向的工作：

其一是对各项探索性的研究做出评估。目前似乎是各方研究人员各自为战。我们需要有系统的规划，使相关研究能覆盖国家战略需要的各领域；我们需要有相互间的辩驳、切磋，以期明确各种方法的可信度、精度和适用范围，并在此过程中激发出新的研究思路。

其二是形成对卫星数据连续、实时处理的能力，并建立处理结果的发布机制，使之成为各学科研究工作的基础素材，成为各业务领域判断、决策的背景资料。如果没有这一步工作，前边的研究就如同狗熊掰棒子，无法转换成社会效益。

事实表明，在“与国际接轨”和“与市场接轨”的氛围下，这两个方面的工作难于实施。在我们现实的科研资源配置机制中，“科研经纪人”、“科研老板”、“项目老板”扮演着核心角色，大量的科研经费经这个环节转化为利润，进而转化为“以钱生钱”的逐利资金，真正的研究人员则沦为打工仔。媒体已经大量披露由此产生的弊端。中国地质学会理事任纪舜院士就直斥其为“二道贩子”。在这类长袖善舞之徒的把持下，我们的科研体系何来战略眼光？

我们是否应该反思一下自己的科研定位与体制？思考一下站在民族持续生存和国家宏观战略的立场上，该如何配置我们有限的科研资源？

 

 

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