现代地震研究

地震与地质构造   中国地震构造区   地震与活动断裂的关系   地震活动图象

地震台网   地震活动性研究  地震基本参数测定   地形变测量  高精度连续观测台

GPS观测   地震前后地形变异常   地下水的观测  地磁观测   地震前地磁场的变化

地电观测  重力观测   电磁波有关的异常   地震综合预报   物理性机理的研究

地震构造和断裂带

  地震与地质构造有关,首先反映在地震有规律地集中分布于某些特定的大地构造部位--大地构造边界带。其中最显著的是纵贯中国中部的南北地震带和横贯中国西部的西昆仑山-阿尔金山-祁连山北缘地震带,它们都是大地构造的边界带。

中国的地震构造特征

   中国板内地震类型多、分布广,中国地震构造可划分为三种类型:板缘型、板内断裂型、板内地堑-裂谷型。这个划分既反映了板块运动与地震的关系,也揭示了板内断块自身的特点。


板块地震构造运动示意图

 

中国地震构造的分区特征

  中国大陆处于两个全球性活动地震带之间,地震构造变得十分复杂。根据地震和构造的差异性,可将中国划分为6个地震构造区:

台湾9.21地震地表裂缝

(1)台湾地震构造区。包括台湾省及其邻近海域,是中国地震活动最频繁的地区。该区地震的发生与太平洋弧构造、台湾岛及周围的活动构造(包括火山弧、山间拗陷、新生代褶皱带西部边缘拗陷)运动有关。地震断层呈北北东向,为逆-左旋走滑性质。

(2)青藏高原构造区。范围包括青藏高原的全部和川滇高原的西部,是中国地震活动最强烈的地区之一。新生代以来强烈隆起,构成世界上最雄伟的高原,也是中国地壳厚度最大的地区。地震多集中于北西-东西-北北西弧形展布的断裂系以及北东向、南北向的断裂上。

(3)新疆地震构造区。是中国强震多发区之一。地震发生与巨大大的新生代挤压型盆地及其间的造山带运动有关。最大的准噶尔和塔里木盆地内部较稳定,很少地震发生。其间的天山、阿尔泰山强烈隆起,地震多发生在山区与平原区交界处。地震断层呈东西或北西走向,北西及北北西走向者多以挤压兼右走滑为主。

(4)华北地震构造区。是中国地震构造研究最细的地区。新第三纪以来构造运动非常强烈。深部构造表现为地壳拉薄和上地幔隆起,还发现有局部壳内低速层存在;浅部则表现为裂谷和地堑盆地的形成以及断裂的新活动。构造线以北北东为主,北西向次之。

考察郯庐断裂带

(5)东北地震构造区。新生代以来构造运动较弱,是中国地震活动最弱的地区。中、小地震常发生在新活动的北东向和北西向断裂上。该区东北边缘珲一带为深震区,最大震源深度达590公里。从板块构造观点看,它是西太平洋俯冲带的一部分。

(6)华南地震构造区。新生代构造整体比较稳定,构造运动幅度和地震强度都较小,只有东部沿海和长江中下游一带较为强烈。构造线和地震断层以北东向为主,北西向次之。发生在该区的中国最大水库地震--新丰江水库地震,为研究地震成因提供了宝贵资料。

 

中国活动断裂研究

台湾地震时地表出现
长达1公里的地表裂缝

   中国大部分地震发生在地壳的中上部,而且震中密集成带,常与一定断裂带相吻合。因而,中国在地震研究中对地震与活动断裂的关系甚为重视。

    断裂的命名方案如下:
老断裂:新生代前活动过的断裂;
新断裂:新生代活动过的断裂;
第四纪断裂:第四纪活动过的断裂;
活动断裂: ① 三万五千年左右以来活动过的断裂; ② 一万一千年以来活动过的断裂(全新世断裂)。

    中国活动断裂的分区特征。中国活动断裂为数众多、分布广泛,具有明显的分区分带性。中国西部活动断裂走向以东西向或北西西向为主,大型的走滑断层和逆断层发育,位移量也较大;中国东部活动断裂以北北东与北东走向为主,北西与北西西向次之。中国东、西部活动断裂的这种差异与其各自的地震活动性相呼应的,即西部地震强度、频度均比东部高;而在大陆东部,相对华南与东北,华北较强的活动断裂,也对应着较强的地震活动性。

测量人员进行野外观测

    对活动断裂的研究可粗略地分为四个方面:

    断裂几何学研究:主要通过遥感信息解译、地质地貌调查与填图及地球物理勘探,了解断裂在平面与剖面上的形态特征。

    断裂运动学研究:综合分析地质、地貌、地壳形变及震源机制资料,描述断裂两盘运动方向及其演变历史。

    断裂动力学研究:通过微震观测、断裂带物质的实验研究、地壳形变特征分析等,研究断裂活动方式及断裂带周围的应力场。

    断裂的地震活动模型研究:在以上三方面研究的基础上,结合古地震研究及微震活动分析,研究断裂的长度、深度、断距、位移速率等与地震活动性之间的关系,划分不来强震危险区,确定最大强震复发间隔,并以数学形式表达出来。

    对中国地震构造的研究取得的进展迅速,也提炼出许多有价值的规律性认识。概括起来主要有以下四个方面:

(1)提出了中国强震发生的地震地质标志,它们是:大地构造边界带、新构造差异运动带、活动断裂带、断陷盆地带、地壳厚度变异带动等;
(2)提出了强震发生的构造部位的标志,即断裂带端点、拐点、交点、闭锁点、网络结点;
(3)总结了中国地震发生的孕育模式和发展过程,诸如震源组合模式、膨胀-蠕动模式,以及结合各种前兆、震时和震后地震效应提出的海城和唐山地震孕育和发展的阶段性;
(4)总结了许多地震预报新方法,包括构造类比法,构造追踪法,以及地震迁移、地震填空、地震重复率等方法。
这些认识和地震预报方法的运用,反映了中国地震构造研究的进展。但是,在地震构造研究中,未知数还很多,特别是将地震地质方法用于地震预报还处于较低水平。

 

地震活动图象

  地震活动图象是地壳深部构造应力场的一种反映,随着强震孕育过程中构造应力的变化,地震活动图象必然会出现相应的演变。自八十年代以来,地震活动图象有概念也已从狭义的地震时、空、强分布,扩展到地震所能提供的多种信息,同时也包括寻找那些有预报意义的特殊地震。

地震的时空分布特征

   目前研究得比较深入的前兆性地震分布图象主要是地震活动空区和地震活动条带。

地震活动空区图

    地震活动空区是指在强震发生前的一定时期内,在未来的震源区附近,地震活动水平下降,从而形成地震活动空区。通过寻找地震空区预测未来强震的地点和大小到时间,是利用前兆性地震活动图象预报地震的一个有希望的方法。
    利用地震活动空区预报地震的关键是要正确勾划空区,减少其不确定性。通过多次强震的对比分析,发现空区基本上都位于具有较强地震活动背景的地区。空区不仅有平静的一面,还有外围地震活动增强的一面,因此若能对照空区内外地震频度、能量、b 值等参数的变化来判定的不确定性。并通过大量震例的分析,还研究了空区面积、长轴,空区持续时间等与未来地震的强度的统计关系,它们在实际预报中具有一定的效能。
    地震活动条带是指在区域地震活动不断增强的背景下,地震震中由分散、凌乱状态转化为集中分布的过程中形成的;未来强震往往发生在这个条带上。有时还出现两面三刀支共轭性条带。通过条带内外地震强度、能量等的对比分析,可提高判定条带的准确性。还发现大震的主破裂面往往与条带的走向一致。
    从地震的时间序列中提取震净信息,是以震报震另一个重要方面,也是中国开展地震预报中最早引起注意的震净现象。其中最典型的特征就是密集-平静-大震现象,即先出现相对密集的小震活动,然后又突然平静下来,随后发生较强地震。如邢台地震和海城地震。但在实际中并非所有密集小震活动后均出现大震,也不是所有大震前均有小震活动,这也正是地震预报的困难之一。

相关地震

    特定地区间的地震活动在发生时间上往往具有一定关系,研究这种关系的规律性,可为地震预报提供信息。

1975年海城地震的前震活动图象

    相关地震:特殊的相关区其地震活动在发生时间上片往往具有同步性。各对同步地震间无震等待时间与它们同步活动的时间差之比很大,可达数倍至数十倍甚至更大,这说明相关地震的概率增益是明显的。在中国已找到不少这样的相关区。
    地震窗:所谓地震窗,其实质是地震活动密集点的活动性涨落与其周围较大范围发生的较大地震的相关性,即点与面在相关。目前已发现的地震窗有:林县、太原、霍山、松潘、马边、乌鲁木齐、长岛等常时震群区;邢台、海城、唐山等余震区。
    诱发前震:在一次大震发生前的不长时间(如半年)内,在其周围较大范围内发生的某些显著中强地震(一般为4级左右),往往预示着未来的大震将会发生。统计表明,诱发前震具有一定的预报能力。
    前震序列:当一群地震发生后,如何判断未来的地震趋势:后面是否有更大地震发生,这群地震是否是前震序列?通过深入研究这个问题发现利用地震序列的衰减系数h 有可能进行判定:当h 值小于等于1时该序列可能为前震序列,其后可能有较大地震发生;反之如h 值大于1,该序列可能为余震序列,说明主要地震已经发生,短时间内发生更大地震的可能性不大。另一种方法是利用U 值来判定。U 值的定义是在一个震群序列中释放90%的应变能需要的最短时间与全序列的持续时间之比。当U 值大于(等于)0.5时,其后可能有较大地震发生;若U 值小于0.5时,其后可能没有大震。另一种震群特征量--归一化熵值k ,也具有一定的预报信息。这几种判据,经上百组地震序列的检验,均有一定的预测能力。
      多年的研究表明,上述各类征兆具有一定的前兆意义。但是,利用它们只能进行一定程度的概率性预报,离确定性预报尚有较大距离。因此,加强其物理成因的研究,综合这些征兆,力求建立适应这些征兆的物理模式,向确定性预报的方向努力将是我国乃至全世界地震工作者的长期任务。

测 震

地震台网的建设

    我国地震台网的建立是从解放初期开始,1955-1956年,全国初步形成了一个中强地震观测台网。1957年,我国先后建立了昆明、成都、兰州、南京、佘山(上海)、拉萨、广州、北京等8个基本地震台1958年前后,又增设武汉等基本台,全面完成了我国兴建的第一批基本台任务。由于台网的建立遍布于全国,大大提高了中国的地震观测水平,使我国开始有了比较系统的微观地震资料。
    区域地震台网的建立与发展。1966年邢台地震后,随着中国大陆地震活动高潮的到来,我国各省区地震部门先后组建,随之区域地震台网也相继建立,到1976年,中国大陆地区29个省、自治区、直辖市均建立了区域地震台网,全国区域地震台站已达260多个;截止到1984年底,全国区域地震台站增加到435个。
    传输地震台网的建立与发展。1966年邢台地震后,为了能快速、及时地了解北京周围地区的地震活动情况,在周恩来总理的亲切关怀下,中国科学院地球物理研究所建成了由8个地震台组成的,采用实线传输单分向短周期地震信号的我国第一个电信传输地震台网--北京台网。
    1975年,为了进一步对我国的多震区和大工业城市附近的地震活动进行监测和预报研究,又建立起上海、沈阳、兰州、昆明和成都电信传输地震台网。

卫星通讯站

    1981年,电信传输地震台网观测分析处理系统,即768工程所有硬件设备均已配齐并安装在上海传输地震台网内,所需各项软件也已编制完毕。1982年768工程通过技术鉴定和验收,北京、沈阳、成都昆明和兰州等5个传输台网硬、软件配置齐全,进行试运转。经过连续三个月的考核运转后设入正式观测。

    到“七五”期间,我国地震无线通讯网和地震信息反馈系统也得到迅速发展。 1988年7月建成开通了我国第一个用户小型数据卫星地球站--地震卫星数据通信网北京中心站。

中美合作数字化
台网测震接收系统

    目前,已建成的中国地震局卫星数据通信网通信范围覆盖全国,它主要由卫星通信中心、远端卫星小站、技术服务网络组成,卫星通信网主站设在卫星通信中心。中国地震局卫星通信网的主要任务是:承担国家数字地震台网的连续观测数据传输;接收中国地壳运动观测网络各地壳运动基准台站(GPS台站)的观测;接收和交换全国各地地震工作部门的地震监测预报和防震减灾有关的信息数据。
    数字地震台网的建设。为了取得我国现有模拟记录尚难提供的高质量的地震数据,满足科学研究工作的需要,1983年,国家地震局决定建设中国数字地震台网。目前,已建成的国家数字地震台网中心是国家数字地震台网、区域数字地震台阵、区域有人值守地震台站和数字强震台网数据的收集和处理中心。

地震活动性研究

    随着地震学研究的发展,地震活动性研究的内容也在不断扩展。早期的地震学主要研究地震发生后的诸种现象,由于地震检测能力的限制,当时多局限于研究较大地震的地理分布和时间分布。六十年代起,地震预报被提到了地震学家的工作日程上来,人们迫切需要知道强震将要发生前的诸种现象。由于此期地震检测能力已大大提高,一次强震前,总可以在其周围观测到大量中小地震。寻求这些前期地震为人们提供的预测信息,这就是前兆性地震活动图象研究的目的。

1、中国地震带的分布特征

模拟式地震自动记录

    全球范围的两大地震带--环太平洋地震带和地中海-南亚地震带,分别从中国东南和西南地区通过。由于这两大地震带都属于板块间的地震带,因此活动水平都很高。但就中国大部分地区而言,则是属于板内地震,其活动特点是散布面积广,发生频次高,其最大震级也可以达到很高。中国受地震灾害威胁的范围较大,地震活动水平总的情况是西部高,东部低;华北高,华南低,基本可将中国地域划分为以下10个地震区。

① 台湾地震区。它是环太平洋地震带的一部分,是中国地震活动最频繁的地区,6级以上地震约占全国的60%左右。强地震大部分发生在台湾省 的东部及其以东的海域中,该区地震频度之高为中国各省区之首。

② 南海地震区。在台湾省 和海南岛以南海疆域中,地震活动水平较低。

③ 华南地震区。较强地震主要发生在长江中、下游和东南沿海一带。该区虽有强震发生,但频度较低。

④ 华北地震区。是中国大陆东部地震活动较强的地区,它的地震活动特点是强度大,频度较低。

⑤ 东北地震区。位于中国东北地区。区内吉林省东部边境是中国唯一的深震区,震源深度可达500-600公里。相对而言,浅源地震活动较弱。

⑥ 青藏高原南部地震区。地处青藏高原南部,包括喜马拉雅山及滇西横断山脉地区,呈东西向弧形分布,地震活动的特点是强度大、频度高。

⑦ 青藏高原中部地震区。位于青藏高原中部及东部的边缘地带,包括川西和云南大部地区,呈现弧形分布。属于地震活动强度大、频度高的地区。

⑧ 青藏高原北部地震区。地处青藏高原北部及其东北部的边缘地带,包括河西走廊、祁连山、贺兰山及川西地区,亦呈现弧形分布,属于地震活动强度较低的地区。

⑨ 新疆中部地震区。地处新疆中部(包括天山山脉),地震活动的强度与频度都很高。

⑩ 新疆北部地震区。位于新疆北部的阿尔泰山带,该区范围较小,活动性可与新疆中部地震区相比。

分析记录

2、中国地震的分期特征

    大地震不仅在空间分布上呈现出分区性,而且多数地震区(带)在长期的地震活动过程中还表现出活动与平静交替的现象,即地震活动具有分期的特征。地震活动频度高、强度大的时段称为地震相对活动期;反之,称为相对平静期。
    地震活动的分期与地震区(带)的选取有关,也与讨论地震活动性时选取的震级下限有关。因此,使用权用不同资料所得到的具体分期结果各有差别,且在每一活动期内还可区分出次一级的相对活跃或平静的时段。但是,它们都反映了一个共同的特征:地震活动分期现象的存在。

地震基本参数的测定

    地震基本参数是指一个地震的发震时间、震中位置(经度和纬度)、震源深度和地震强度(震级和震中烈度)。这些参数的测定是地震预报必须解决的问题之一,也是研究一切地震问题的前提。它主要包括几方面的工作:

放置在封闭山洞内的
地震拾震仪(数字式)

  ① 震级测定方法的研究。我国震级标度的研究是从测定近震震级ML起步的;之后着手对面波震级(主要用于测定远震震级)的研究以及体能波与震级之间的关系。此外,还对地震震级与震中烈度的关系,前震、余震的震级-震中烈度等进行广泛研究;

   ② 震源定位方法的研究。震源程序定位系指震中经纬度和震源深度的测定;

   ③ 中国地区地震波走时表的研究。研究人员对国外的地震参数测定方法引进国内进行广泛实践,并且结合我国的特点,提出了适合中国地震的地震参数测定方法体系;

    ④ 地震资料的整理与交换。地震观测资料是进行一系列科学研究的基础,由地震台站的观测仪器所记到的地震记录,经过科研人员分析后,汇编成地震观测资料。这些资料在国内、国际进行交流,大大促进了地震科学研究的发展。

地壳形变的观测

    地壳形变测量是大地测量的一部分,它是研究地震过程的重要手段。地壳形变与地震关系的研究,是地震预报的一项重要基础研究。

地壳形变测量

测量人员在野外进行测量工作

    为了研究地壳运动,以监视地震活动,地形变测量工作主要是在活动构造带、多震地区和具有一定潜在地震危险的重点地区,以及大型水库区等要害地区进行的。其测量周期远比大地测量周期短,并经常视需要进行加密观测,还特别注意大地震前后的及时测量。

    地壳形变观测工作主要从如下几方面进行:

(1)垂直形变测量
    垂直形变测量的目的,是测定地壳的升降运动,其主要方法是精密水准测量。在地形变监测区按一定计划布点,在每个观测点将水准标石(水准点)牢固地埋在地下或出露于地表的基岩上,从而组成垂直形变网。定期测量各条水准线上水准点之间的高差,经过适当处理就可以确定地壳是否发生了垂直形变。

    垂直形变监测网应布设在以活断层为主的构造带,大城市、大厂矿、大水库和交通枢纽为主的重点保卫区,以及地震活动区和地形变异常区。根据上述原则,中国已先后建立了20个垂直形变监测网,覆盖面积达178万平方公里。各监测网定期进行复测,复测周期在一般监视区为五年,在重点监视区为2-3年,加强监视区为1年。

(2)水平形变测量

设在山洞中的
水平石英伸缩仪

    中国近年来的几次大震资料表明,绝大多数浅源地震震源区均以水平错动为主,水平位移的幅度往往比垂直位移大。因此,研究水平形变也和垂直形变一样具有重要意义,且对探讨区域构造应力场有其特殊的意义。
地壳的水平运动是通过测定地面上一些点的平面位置变化来描述的。为此需要布设水平形变观测网。构成水平形网的基本图形是三角形,所以也称三角网。按照观测元素的不同,可以分为测角网、测边网和边角同测网。测网的布设原则和复测周期与垂直形变网的要求相同。

(3)跨断层测量
    自从地震的断层成因说提出以来,断层位移与地震的关系受到了地学工作者的特别关注。为了了解产生地震的断层力学过程,捕捉地震前兆,布置了各种跨断层测量。跨断层测量获得断层两测点之间的产状、断层运动方式、两侧岩体力学性质及测点距断层面和距离有关。测值中还包含某些干扰因素的影响,应予以排除。

    中国大陆断层位移测量的布局有两类情况。一类是布设在块体边界的主要活动断裂带上,这些断裂是发生大地震的场所;通过测量,可了解断裂带的应变积累和释放状况,判断未来大震的危险地段,捕捉中短期地震前兆,研究地震的断层力学过程。另一类则布设在块体内部规模较小的活动断层上,这些活动断层本身很少产生大地震,但其活动可以灵敏地反映区域构造活动和应力场的变化;在附近发生大地震前,这些小断层往往出现异常活动,有可能作为预报地震依据。

跨断层水准测量

(4)定点形变测量
    为监测邢台地震后的余震活动,1968年,地震测量队在震区建立了3个定点地形变台站;以后在各重点监视区也陆续兴建了一批地形变台站。到1983年,中国已建立地形变台站43个。

    地形变台站主要进行短水准和短基线观测。前者是用精密水准测量方法测定地面的垂直运动;后者则是用精密测距方法测定地面之间的水平位移。它们一般布设在活动断裂带上以监视断层活动。一般每时日观测一次,长期连续观测。

高精度连续观测台网的建设

基线测量

    至1981年,开始了中国第二代高精度连续观测台网的建设。建设工作以改善台址条件,减少干扰因素,建设一批能清晰正确记录固体潮的地形变连续观测台站,为追踪断层最新活动提供资料为基本目标。同时要改善台网的地理分布,增加华北地区和南北地震带的高质量台站。

洞口外景

中国第二代形变观测台网总体素质的提高,集中体现在噪声水平下降和地震异常信息量的增强。而第二代台网中条件最差的浅山洞区域台,相对噪声水平不超过0.05″。其中观测精度较高的泰安、乾县、楚雄、易县、长沙、易门等台,测定固体潮的精度已达到或接近国际著名台站的水平,从而使传统的以描述地表几何形状为目的的地形变观测,转变为能够进行岩层物理状况的研究。由于噪声水平下降,对震前异常信息的识别能力得到增强。如1983年菏泽5.9级地震和1984年南黄海6.2级地震前,在一些距震中较远的深山洞台站,也记到与地震有关的震前形变阶跃或其他类型的异常。

GPS观测

    以监测地壳运动,预测预报地震为主要任务的中国地壳运动观测网络,目前在全国有25个基准台,56个基本站,1000个区域站,一个数据中心。利用GPS进行全国范围有重点的观测,其中基准台作定期观测,区域站作不定观测。

    由于采用了先进的科学技术和手段--GPS观测和数据处理系统,中国地壳运动观测网络具备了大范围测量、高精度、高时空分辨率的能力,在设备规模与性能上也具备了相当的规模,能够及时精确地获取地壳运动信息,成为国际一流水平的观测网络中心。

中国地壳运动观测网络中心

 

地壳形变与地震的关系

    多年来,中国已获得地震前后地形变异常的大量资料,其中包括一些强烈地震的震例,如邢台、海城、唐山地震等。这些震例表明,一次大震的震前、震时和震后,地壳都发生明显的形变,尤其是地震时引起的形变十分剧烈。
    从一些大震地形变演化过程来看,地形变大致可以划分为长期缓慢形变、震前快速形变、震时突变和震后调整四个阶段,它们相应地反映了应变能量的积累、集中、释放和调整的过程。但是,震前地形变的量级一般很小,与地形变的测量精度相当,或稍大。不同地震的震前地形变时间、规模、幅度也不相同,即使同一个地震不同距离上的台站观测结果的差异也很大,因此要结合其他资料进行综合分析。
    由大量震例看,震时阶跃似乎是确切和普遍的,震前异常则只在一部分台站记录到,表现为震前脉动、潮汐曲线畸变、固体潮汐因子偏离及震前扰动等。异常多出现在近台,台址条件不好的台站较难记到。震时阶跃,量级多数为10-7和10-8,与震中距有一定关系。


形变观测自动记录

 

 

 

地下水与地震

温泉取水

    地下水的观测与研究开始于1966年邢台地震以后。地下水动态是指地下水物理性质与化学性质(包括水位、水温、流量及气体-化学成分)随时间的变化;研究地下水动态异常与地震的关系,是探索地震预报的重要课题之一。
     中国地下水位与地震研究,也就是第一代地下水观测井网的建立于1996年邢台地震后。在邢台地震现场,震前征兆最明显,井内冒气、发响等。通过强余震的检验,地震工作者取得了地震前地下水异常变化的大量资料。从中看到了地震预报的希望。于是,研究地下水与地震关系的科学实践从此起步。

    经过实践检验,已经建成的深井水网观测效果良好,对监视区内发生的多次强震均观测到地下水异常,其中一些地震前还作了一定程度的预报。

地下水前兆物理机制的研究

    在广泛开展实际观测的同时,科技工作者还对地下水前兆的物理机制进行了探讨,进一步认识到地下水动态变化与地壳岩石受力变形之间的关系:地下水位观测曲线的分析表明,深井水位能清晰地记录到由天体引潮力引起的水位涨落(即井水潮汐)现象。日月引起的地壳岩石的固体潮变化量级很小,最大体应变只有3.39*10-8,而反映到井水位上,变化幅度却可达30厘米。这说明,封闭性较好的深井水位能明显地反映地下含水岩体的微小变形,其灵敏度可达到或超过10-10。

水样鼓泡

地下水化学组分与地震

测试水氡

    利用地下水气体-化学组分变化预报地震的研究(简称水化学方法),是中国在地震预报的实践中诞生和发展起来的。

    至1985年,中国已初步建成了以全国64个重点观测点为主,以200多个区域观测点为辅的全国水化观测台网,采用统一的观测方法,使用灵敏度较高、稳定性较好的测试仪器进行每日定时观测。观测项目中,常量元素有钠、钙、镁、氯、硫酸根、重碳酸根;微量元素有氟、硅、汞等;放射性元素有铀、镭、钍、氡;气体成分有氢、氧、氦氩、二氧化碳、氮、甲烷、硫化氢等;此外还开展了一些同位素组分的观测。

水汞测试

    由于水具有易流动性、不可压缩性,气具有易穿透性,因此水和气对力的作用特别敏感。地下水在地壳中的分布深度达20-30公里,这正是大多数震源分布的范围。因此,在地震孕育、岩体受力变形及破裂的过程中,含水围岩的应力-应变变化将造成地下水物理性质和化学成分的明显变化,并通过水的流动将变化信息传递到浅部来。因此,通过测定地下水(气)物理性质、化学成分随时间和空间的变化来预测地下水(气)物理性质、化学成分随时间和空间的变化来预测地震成为地震预报的有效方法之一。

    在地震预报中,有可能根据水化学前兆随时间变化的特征判断震级和震中位置。但是,由于观测系统存在的局限性,水化预报地震仍处于较低水平,还不能提出地震三要素的定量指标。

地磁观磁系统的建立与发展

核旋仪观测

    我国的地磁观测工作已有一百多年历史。早期设立的几个地磁台多为外国人所建,其中上海佘山地磁台是中国唯一已有百年观测历史的古老台站。
新中国成立后,五十年代中期至六十年代后期,根据中国地磁学者陈宗器等提出的台站布局规划,并配合国际地球物理观测,相继在国内建立了北京、长春、广州、兰州、武汉、拉萨、乌鲁木齐7个台站,连同原的佘山台形成了中国解放初期地磁观测系统中的所谓“老八台”。1966年邢台地震后,在震区及其邻近地区建立了地磁台,从此正式开始震磁关系的研究和地震预报实践。

核旋分量仪

    此后的十年是我国的地震高潮期。为了监视地震活动,逐步建立了适合我国情况的地磁观测系统。这个观测系统包括地磁台网(进行相对地磁观测)和巡回磁测或称流动地磁测量,既观测地磁场总强度,又观测各个分量,更注重观测垂直分量。地磁台网能够取得连续的记录资料,可以用来研究地磁场的短周期变化,并为流动测量提供通化资料;流动地磁测量只能研究地磁场长周期变化,不能获得连续记录,但它与台站相比有较大的机动性。所以,地磁台网巡回磁测在时间和空间上可互为补充。

地磁偏角、倾角观测

    1977年,在总结多年震磁观测研究经验的基础上,制定并颁发了地磁台站观测规范和流动测量规范,这对统一观测方法和观测技术是十分有益的。1981年,国家地震局对已有的地磁台进行了全面整顿、改造和统一规划布局,到1984年底,全国已有169个地磁台,其Ⅰ类台15个,Ⅱ类台26个,区域台128个,流动地磁测量队(组)13个。

 

 

 

 

地磁观磁系统的建立与发展

核旋仪观测

    我国的地磁观测工作已有一百多年历史。早期设立的几个地磁台多为外国人所建,其中上海佘山地磁台是中国唯一已有百年观测历史的古老台站。
新中国成立后,五十年代中期至六十年代后期,根据中国地磁学者陈宗器等提出的台站布局规划,并配合国际地球物理观测,相继在国内建立了北京、长春、广州、兰州、武汉、拉萨、乌鲁木齐7个台站,连同原的佘山台形成了中国解放初期地磁观测系统中的所谓“老八台”。1966年邢台地震后,在震区及其邻近地区建立了地磁台,从此正式开始震磁关系的研究和地震预报实践。

核旋分量仪

    此后的十年是我国的地震高潮期。为了监视地震活动,逐步建立了适合我国情况的地磁观测系统。这个观测系统包括地磁台网(进行相对地磁观测)和巡回磁测或称流动地磁测量,既观测地磁场总强度,又观测各个分量,更注重观测垂直分量。地磁台网能够取得连续的记录资料,可以用来研究地磁场的短周期变化,并为流动测量提供通化资料;流动地磁测量只能研究地磁场长周期变化,不能获得连续记录,但它与台站相比有较大的机动性。所以,地磁台网巡回磁测在时间和空间上可互为补充。

地磁偏角、倾角观测

    1977年,在总结多年震磁观测研究经验的基础上,制定并颁发了地磁台站观测规范和流动测量规范,这对统一观测方法和观测技术是十分有益的。1981年,国家地震局对已有的地磁台进行了全面整顿、改造和统一规划布局,到1984年底,全国已有169个地磁台,其Ⅰ类台15个,Ⅱ类台26个,区域台128个,流动地磁测量队(组)13个。

 

 

震磁关系的研究与应用

史密特偏角地磁仪

    地球基本磁场可以直接反映地球各种深度乃至地核的物理过程,包括深部的温度、压力、物质运动等变化。地磁场及其变化是地球深部物理过程的重要信息来源之一,因而,震磁效应的研究有其理论依据和实验基础。压磁场效应为震磁关系的一种可能的物理机制。为探索与地震有关的这种电磁现象的物理本质,我国还开展了压磁、高温高压等实验工作。

    经过多年实践,对地震前地磁场的变化特征得到以下初步认识:
(1)基本磁场总强度和垂直分量往往在震前下降,震后回升;

G866自动观测核旋仪

(2)地磁垂直分量的日变形态出现畸变。地磁垂直分量的日变化主要受太阳的控制,其日变形态大致呈现为一个规则的图形。然而,大震前日变形态往往出现畸变,表现为日变幅度增大或减小,极小值(低点)出现位移,日变形态反向等
(3)地磁短周期变化出现异常,表现为传递函数A、B的变化。
    地磁学是古老而成熟的学科,然而震磁关系的研究还是一项新的攻关课题。地震预报在探索中,以磁报震虽然取得了一些进展,但问题还很多,有待于继续研究攻关。

地电观测及其与地震关系的研究

    地震孕育过程中,经常伴有地下介质电阻率的变化及大地电流和自然电场的变化。观测研究。观测研究这些变化(主要是地壳上部介质电阻率的变化),提取地震前的电信息,并探讨其与地震之间的关系,以进行地震预报,是地电观测的主要任务,同时也可以用于研究活断层及构造活动特性。

地电观测台站

 

地电观测系统的建立与发展

地电仪

    我国的地电前兆观测与研究工作开始于1966年邢台地震之后。作为地震前兆方法之一的地电观测不断得到加强,在全国重要地震活跃区和重点监视区相继开展了这一工作,并逐步形成了中国的地电观测系统。到1984年底,全国已有地电台站117个,其中属于基本台网的地电台站53个,区域台站64个,主要集中在中国东部华北地震带和南北地震带。我国的地电前兆观测主要是进行岩石电阻率观测,它采用地球物理勘探中的直流四极对称装置,在固定台站上进行观测。

    80年代初,还用大极距偶电测法进行了试验研究。而更深乃至震源附近(10-25公里)岩层电阻率的变化是通过大地电磁测深法观测的。至此,我国已初步形成了从浅部(200-700米)至2-3公里乃至深部十几公里的地电观测系统。

地震预报中的地电研究与应用


(1)地壳浅层介质电阻率的变化

地电观测

    地壳岩石介质的导电性与岩石的物质组成、压力、含水程度、温度等因素有关,并主要决定于岩石孔隙中的导电液体。观测岩石电阻率随时间的变化,可望得到岩石受力变形及破裂过程的某些信息。
    根据我国的地电观测与预报实践,地震前地壳浅层岩石视电阻率变化的基本特征为:
① 大震前地壳浅层介质电阻率出现长趋势(一年到数年)、大范围(200公里左右)下降异常(下降异常约占80%);震级愈大,地电阻率长趋势下降异常持续时间也愈长;
② 大震发生后,多数台站的地电阻率显示较快的回升,但往往回不到正常水平,保留一部分剩余异常量。
③ 地电阻率异常具有阶段性特点,可分为异常起始阶段、持续阶段、加速阶段(异常加速阶段(异常加速阶段包含临震异常)等。

(2)地壳深部介质的电性变化

    研究人员于唐山地震前后在北京凤河营进行了3次大地电磁测深定点复测工作。观测结果表明,唐山大震前出现了深部电阻率下降,震后又迅速回升。这一特点与浅部电阻率的变化特点基本一致,但深部方法测得的电阻率变化的量值比浅部方法测得的大一个数量级。
    1976年松潘地震前后,在震中周围的5个测点上进行了3次大地电磁测深定点复测工作。观测结果表明,在距震中最近(约50-60公里)的南坪和中寨两个测深点上,观测到了震中附近相应于地壳深部(15-25公里)的地电阻率值震前的大幅度下降;其异常持续时间与地表浅部方法电阻率异常的观测结果一致。
       然而,同其他地球物理手段一样,用地电方法预报地震仍处于经验性阶段,离预报地震三要素的目标还相差很远,有待于继续努力探索。

重力观测及其与地震关系的研究

微伽重力仪

    重力重力场是基本的也是比较稳定的地球物理之一。重力随观测点空间位置和地球介质密度状况而变化,因此,观测重力场的变化可以反过来研究地壳的变形、介质密度的变化或质量的迁移,从而探讨与地震预报研究和现代地壳运动有关的地球动力学问题。重力场变化和时间变化两类。前者主要反映地球形状和地壳结构,属于大地测量和物探的研究领域;后者主要反映地球的变形,地球内部质量运动,以及地球在空间运动中一些动力学要素的变化,它与现代地壳运动、地震预报研究和基础天文学等密切相关。
重力场的时间变化又可分为潮汐变化和非潮汐变化两类。前者起因于外部天体(主要是太阳和月球)对地心和地球表面的引力作用;后者则主要是地球自身的变化,如地球自转速度的变化、地极移动、地壳运动、地壳变形和深部物质变异等引起的。

    重力观测系统的建立和发展在我国重力场潮汐变化的观测工作始于1958年。1966年邢台地震后,研究人员开始利用观测重力场的时间变化来预报地震。1976年,在北京西北效北安装了一台有恒温装置的GS-11型重力仪,以后国家地震局又进行全面规划,在我国不同类型的构造地区共建立了18个重力固体潮台站。到1985年,有18个地震局、队、所建立了流动重力测量队(组),共布设了174全测环和57条测线,总长度约6万公里。其中在滇西实验场建成的重力观测网和京津唐重力试验观测网,构成了我国主要的重力试验观测基地。此外,还建成了16条重力测量基线。

DZY-2型海洋重力仪

    多年来,我国在立足国内研制新仪器的基础上,也在对引进仪器进行维修和技术改造方面做了大量的工作,例如,对我国台站使用较多的作协德国阿斯加尼亚GS型重力仪的维修和改造已取得了实际成效,其改型产品的试验观测效果良好。我国的科技人员成功地在GS-15重力仪上实现了磁反馈和数字化,这个工作将使潮汐记录精度大为提高,并有可能检测潮汐背景上的非潮汐信息,对地震预报的研究很有意义。

    我国还在地震研究所建成了项目比较齐全的重力仪研制和标定实验室,其中设有变温室、变压室、弹簧性能测试室、标定室、超静装配室等。这些重要实验设备对提高我国重力仪的精度和效益将有重要作用。
观测地震前重力变化的较好的实例是1976年唐山地震。这次地震前半年,重力场就出现了趋势变化,最大变幅可达100微伽,震后异常恢复。

电磁波异常的观测与研究

    国内外多次大震发生前,均在震中及其邻区发现过大量与电磁波有关的异常现象。1966年邢台地震后,我国即开始了地震电磁波异常现象的研究;1976年唐山地震后,更是有组织地开展了系统观测和研究。80年代,我国已有10个省、自治区、直辖市开展了震前电磁波的观测与研究。

电磁波观测仪

资料分析

    在这方面,已经或将要进行的研究课题十分广泛,有的已取得一定成果。例如,对震前电磁波异常进行了分类,指出存在两种不同起因的电磁波异常。一类是在孕育过程中,由震源体产生的某种电磁辐射,称之为辐射异常;另一类是由于震源体及其邻区介质物理性质的变化,导致该区电磁波传播特性的变化引起的电磁波异常,称之为传播异常。前者可能发生在孕育直到发震的整个过程中,压电效应、动电效应、热电效应等均能导致岩石在微破裂时产生电荷的积累与释放,从而使震源区辐射出频谱很宽的电磁波。

1996年10月19日日本九州地震前的电磁波图

地震综合预报

    我国所进行的地震综合预报是在对各单项地震前兆及异常机理研究的基础上,运用现有震例的经验和对孕震过程的理论认识,通过对各种资料的综合分析进行判断并提出震情分析意见的预报方法。
    地震综合预报是建立在各单项前兆预报研究基础之上的综合,包括对前兆资料正常和异常的识别,前兆机理的探讨,以及各种异常之间相互联系的研究等。综合预报的依据是:包括中强以上地震(尤其是7级以上地震)在内的震例经验和由此提炼的震前异常图象,以及关于地震孕育过程中各种前兆显示及其机理的实验和理论研究成果。综合预报的方法包括单项异常识别和多项异常的综合图象识别等经验性方法,以及概率性方法和物理性方法。综合预报的目的,是对地震孕育和发生的可能性及其过程进行判断,提出长期、中期、短期和临震预报意见。
    综合预报方法大体上可以划分为经验性预报、概率性预报和物理性预报。至80年中期主要还是经验性预报 并采用了一些概率性预报方法,物理性预报尚有待研究。

经验性预报

    经验性预报是在一定科学思路的指导下,通过大量的震例资料分析,取得对异常特征的经验性认识,从而总结出预报地震强度、时间和地点的某些经验性方法。
    震级预报:多年的预报实践和理论研究发现,地震强度主要取决于孕震体的大小。因此,地震震级主要以反映孕震体大小的异常空间展布范围和反映与震源体尺度相联系的异常持续时间的长短作为特征量;据此,预测未来地震强度的主要方法是依据异常持续时间的长短和异常展布范围的大小。异常的时间和空间尺度均以其对数与震级相关。同时,也可根据构成地震活动性图象(如地震空区、地震条带、前震等)的上限震级和其他地震活动性指标估计震级。

    时间预报:关于发震时间的预报,除了统计性的粗略估计之外,直接的预报则是建立在对前兆现象发展阶段判断的基础上。长、中、短、临阶段的划分和判定,实际上是发震时间判断步步逼近的预报方法。因此,时间预报的关键就在于对各阶段前兆现象的判断,尤其是对短临异常的认识。在已经作出短临阶段判断的情况下,更具体的发震时间判断,尚须配合对地震触发因素的时间效应的考虑,如朔望、磁暴、气象要素的突变等。
    地区预报:大量震例资料表明,尽管异常的空间分布具有很大的复杂性和不均匀性,但总体来说,震中及其附近地区的异常现象仍最为集中和突出,而且发育时间也较早。因此,地点的预报主要根据异常的集中程度,并参考异常出现的先后。孕震过程中地震活动的空间图象,如地震空区、地震条带、前震群活动区等,了能提供未来强震区的重要线索。另外,在海城、松潘等大震的预报中还发现,临震前短临异常的群集地区往往沿某些相关的构造由远及近地向未来大震的震中区迁移,因此,在短临预报阶段,追踪突发性宏观、微观异常的空间转移路线,可为强震地点的判定提供线索。

概率性预报

    随着预报研究的发展和观测资料及预报经验的积累,概率论、数理统计、模糊数学、系统理论、综合图象识别等数学方法逐渐引入,使经验性预报方法得以向概率性预报发展。

    统计预报方法的应用。概率论和数理统计等方法首先被用于对历史地震资料的分析,借以进行大地震活动形势的预测。之后,又开展了地震活动与天体运动、极移、地球自转、气象因子等关系的统计研究,并建立了一些相应的统计预报方法,在地震预报中发挥了一定的作用。与此同时,随着前兆观测资料的积累,统计方法了逐步被应用到观测数据处理,异常识别,排除干扰方面。在震例分析中还提出了某些有意义的经验公式,如异常持续时间与震级的统计关系等。数理统计方法在地震预报中的应用,对于综合预报从定性的经验性预报向定量化发展起了推动作用。

    模糊数学方法的应用:在科学研究的初期探索阶段,人们对研究对象的认识常带有模糊性,地震预报也是如此。80年代以来,我国地震工作者把探索事物模糊属性的数学工具――模糊数学引入地震预报研究,并应用于前兆异常分析、地震活动图象识别和孕震模式鉴别等多个方面,使之逐渐成为地震综合预报的方法之一。
    系统理论的应用:以系统论、控制论、信息论为代表的系统理论及其实际应用(系统工程),是近代发展起来的先进思维方法和信息处理方法,它强调系统内部以及包围它们的介质之间的相互作用和整体联系,强调在运动和发展中考察系统。这种特点接近于地震预报的研究方法,所以从年代起,我国地震工作者把系统理论应用于地震前兆信息资源的开发工作。国家地震局地震研所于1984年在武汉召开了系统论、控制论、信息论方法及其在地震预报中应用的学术讨论会。80年代以来,系统方法正逐步应用于前兆资料质量评定,异常识别,短临前兆研究等方面,在提高信噪比、取得统计增益和使模糊信息清晰化等方面取得一定进展。

    模式识别方法的应用:图象识别或模式识别的方法在70年代后期逐渐引入地震危险区划和地震活动趋势的年度分析中。之后,又被应用于大震前地震活动图象的识别和地震前兆图象的综合判定等方面。这一方法通过把以经验为主的定性或半定量的各种特征数字化,对研究对象进行定量识别。这种研究方法有助于预报经验的总结和不断提高,因而在地震综合预报中有可能发挥人和计算机结合的最佳决策作用。
    总之,严密的数学方法的引入,一方面帮助人们更好地整理经验,使之条理化,提高综合预报的能力;另一方面有助于提取更多的前兆信息和规律,它作为理论认识的向导,使综合预报从经验预测向前推进。

物理性理论

    70年代以来,地震孕育过程和前兆机理的研究有了很大进展。美国和前苏联曾提出过膨胀-扩张模式和雪崩-不稳定裂隙形成模式,我国也提出了震源组合模式和膨胀蠕动模式等。这些理论在一定程度上对地震孕育和前兆成因机理进行了综合解释,对地震综合预报方法的发展、提高,以及进一步开展物理性预报是有益的探索。但地震预报实践越来越揭示了孕震过程和地震前兆的复杂性,直到80年代中期,各种理论尚不能圆满地解释各种前兆现象的特征。显然,地震孕育过程和前兆机理远比人们预想的要复杂。尽管如此,地震综合预报已在实践中积累了一定的经验,从经验性预报向物理性预报方法推进已成为科学探索的目标。当然,实现这一目标还须经过长期的艰苦探索过程。
       总之,经过一代人的努力,我国的地震预报水平已居于世界先进行列。曾成功地对海城等几次大震作出了短临预报,使得我国成为世界上首先对地震作出过成功短临预报并取得了一定减灾实效的国家。
      目前,地震预报仍处于探索阶段,预报地震的主要方法是根据多年积累的观测资料和震例作出经验性预报。因此,不可避免地带有很大的局限性。我国目前的地震预报水平和状况,大体可以这样概括:对地震孕育发生原理、规律有所了解,但远没有完全认识;在一定条件政能够对某些类型的地震作出一定程度的预报,但还不能预报所有的地震;以年度为度量的中期预报已有一定的可信度,但以天为度量的短临预报的成功还只限于极少数特殊类型的地震。