多功能数字地震仪 

从20世纪60年代起，随着地球科学及精密仪器技术的发展，中、日、美等国开始地震预报探索。

 

1966年邢台地震后，我国组织攻关研究地震预测。1975年，海城地震成功预报，引起国际上很大反响。以致中美建交之初，地震预报被美方列为可以从中方得到裨益的少数科学领域之一。

 

上世纪90年代，美国帕克菲尔德地震预报试验场在预测时间里没有发生预期的地震，而在洛杉矶北岭发生了没有预测的强震。日本阪神、土耳其北安纳托利亚试验场相继发生没有预测的强震。中国地震科学家在成功预报海城地震之后才一年多，一次没有预报的招致数十万人伤亡的强震在唐山发生。

 

人们开始怀疑地震究竟能不能预报。一些知名科学家甚至讥笑从事地震预报的人“不是傻子、疯子就是骗子！”

 

1996年，盖勒等几位科学家在《自然》和《科学》杂志上联合撰文，断言地震根本不能预报。盖勒认为，“处于自组织临界状态的大地，任何一次小地震都有可能灾变为一次大地震”。而“小地震发展成为大地震将决定于不仅是其断层附近，而且是整个震源体空间物理状态的无数细结构”。因为人们根本无法掌握深部无数细结构的临界状态，因之地震根本不能预报！

 

盖勒的说法并不正确，中国地震局地震研究所的研究员周硕愚和吴云研的研究，证实了“地壳动力学的常态是‘SO’（自组织），而非‘SOC’（自组织临界），地震的孕育和发生仅是偏离动平衡稳定态的局部暂时过程”。

 

盖勒以断裂扩展的不稳定性为由，否定地震准确预报的可能。其实稳定与不稳定、确定与不确定、必然性与偶然性，在各种自然和社会现象中都是普遍存在的。气象学中所谓的“蝴蝶效应”说的就是大气运动的不稳定性。但不恰当地夸大这一效应，气象预报也就不可能了。“蝴蝶效应”并没有阻止气象科学的发展。气象预报也没有靠穷尽细节来提高预报成功率，更多的是靠寻找和发现各子系统的联系和相互影响来把握天气系统的演变。

 

从有地震记录以来，全世界曾发生4次死亡人口超过20万的灾难性地震，中国就占了3次。1966年，周总理在邢台地震现场指出：“地震是能够预报的……必须加强预测研究，做到准确及时。”著名地质学家李四光也认为地震是可以预报的，他在接受地震预报任务后，提出“测量地应力变化……是观测预报的关键”，亲自组建了第一个地应力观测站开展试验研究。中国的一代地震工作者就是在地震灾难的刺激和周总理的鼓励下，取得了初步成绩。

 

中国地震科技工作者为实现准确预测破坏性地震的科学目标，有成功、有失败，经过40年奋斗，取得了不少进展，这一基本事实不应被无端抹杀。

 

曾在营口地震台工作十余年，后又担任中国地震局副局长的岳明生，在《地震预测研究发展战略几点思考》一文中谈道：“40年来，我国成功地预报了海城7.3级地震，挽救了10万人生命。对20多次6级以上地震作出成功或一定程度的、有减灾实效的地震预报。”

 

50多年来，在时起时伏的“地震可不可以预测”的争论声中，各国政府和地震科学家制定并实施地震预测研究计划，建立地震预测实验场的行动从来没有中断。每一次成功的预报都是地震工作者大量观测、分析和综合工作及同政府决策部门共同工作的成果。

 

“地震不可预测”这种错误观点若为公众和从事地震预报事业的人们接受，地震预报的突破将遥遥无期，实际上是有害而无益的，是倒退而不是进步。目前地震预报的成功率还很低，大约只有10%～20%。现在的问题是如何能够将成功率进一步提高，预测的准确度又能逐步达到社会和公众能够大体满意和接受的程度。

 

就像气象预报也曾经历过“看云彩，养鳝鱼，测气温、气压”发展到用气象卫星预测天气的发展历程，地震预测也必须发展、建立起能把握住地震的孕育、发展、发生全过程的观测技术系统，逐步搞清地震的成因及力源，人类一定能进入地震预报的自由王国。

 

 

要实现科学的地震预报，一是必须建立起能把握地震孕育、发展、发生全过程的观测技术系统；二是要逐步搞清地震的成因和机制。观测与理论两者缺一不可，观测系统的建设必须先行。

 

我国第一个测震台网是在邢台地震发生后架设起来的“北京八条线”，即北京遥测地震台网前身。到“十五”期间，大陆地区测震网已经形成，测震定位、速报等基本功能均得到大幅提升。

 

现在的地震学方法，从地震波记录中除了可确定震级、震中位置外，还可以提取断层破裂、地层应力降、环境剪应力等诸多参数。用中科院力学研究所研究员尹祥础提出的加卸载响应比方法，甚至可以判断地层是否已进入大破裂前的临界状态。但地震学方法只记录不连续事件，对了解地震的孕育、发展、发生全过程仍嫌不足。

 

在测震方法之外寻找有效的前兆观测手段成为突破地震预报的关键。

 

地震学方法只记录不连续事件即各个地震，前兆方法则要记录观测量的连续变化过程。邢台、海城、唐山地震后，众多科技人员参与前兆观测方法探索，30年间，各种前兆方法都实现了从模拟向数字、人工向自动和遥测的转变。但仍存在一系列技术问题未很好解决，比如雷击、停电、仪器故障等，造成前兆数据中断，以致许多分析预报人员对多数前兆方法提供的观测资料的评价是“不可靠”。因为不连续数据的价值会大打折，前兆观测仪器必须解决不间断连续工作、数据天然检验、同场地多台仪器记录一致、数据自检等关键技术问题才能给地震分析预报人员提供有价值的观测数据。

 

这里就作者亲历的钻孔应力、应变前兆观测技术的研发作一介绍。

 

当时负责地震预报工作的李四光主张直接观测地应力变化预测地震。李四光认为，既然地震是地应力变化造成的，我们就必须“对地应力进行观测，找出地应力有关的性质、特点以及作用方式和变化规律……看出这种变化与地震之间的内在联系……才有可能对地震发生的地点、时间、频度和强度作出科学的判断”。李四光同技术人员讨论钻孔应力、应变测量仪器总体技术方案，采用何种传感技术，探头安装等技术细节，并在广东新丰江和邢台尧山建立了第一批地应力观测站，开展以地震预报为目标的钻孔应力应变连续观测。李四光的地应力观测地震预报科学思路是正确的、超前的，这可从30多年后美国庞大的“板块边界观测计划”（PBO）中大量采用钻孔应力应变观测技术证明。但有了正确、超前的科学思想，还要有相应性能的观测仪器，科学思想才能付诸实施。在李四光生前，地应力观测仪器的灵敏度、稳定性、通频带、抗干扰能力、动态范围等诸方面性能都远不能满足要求。仪器记录不到被称为“地球脉搏”的固体潮。国家地震局当时大力组织了对钻孔应力应变测量仪器的技术攻关。到1985年，有四种钻孔应变仪通过国家鉴定。这些独立研发的仪器都已能清晰地记录到应变固体潮。初步有了观测地层应力、应变变化的能力。

 

1975年我进入鹤壁市地震局工作，设计出与美国教授Sacks发明的单分量的“体积式钻孔应变仪”不同原理的多分量的“压容式钻孔应变仪”，并做出了原始试验样机。在河南省地震局推荐下，得到傅承义、秦馨菱、王仁等老一辈科学家支持，压容应力—应变地震仪列入国家科委（78-002）和国家地震局（82-220）重点研究项目。我就这样参与了我国钻孔应力应变仪器的研发、改进工作。压容多分量钻孔应变仪在1984年通过国家鉴定，之后扩大试验并不断改进。国家地震局工作简报曾报道：“压容式钻孔应变仪可以探测地球‘脉搏’，是一种研究应变固体潮、地壳结构、地震理论和地震预报的重要观测仪器。这种仪器可望在地震重点监视区开展密集化观测，有助于获得较为可靠的地震前兆信息。”

 

我们自己开发研制的国产仪器性能能否满足地震预报研究的高要求呢？现任PBO项目常设委员Agnew看到我们的记录资料后，在1983年5月给我的信中表示，“您的仪器的高频性能比我们台站上任一台仪器的性能都要好得多。”Sacks访华期间，在地壳应力研究所趴在地毯上仔细观看我们仪器模拟记录的情景，我至今还有印象。

 

仪器通过了国家鉴定，却没有在全国布网，李四光的去世应该是重要因素。

 

2003年美国庞大的PBO计划中广泛采用钻孔应变仪的消息传到中国，中国地震局于2004年底决定将压容分量钻孔应变仪列入“数字地震观测网络”前兆分项，在全国布设40套YRY型压容分量钻孔应变仪。美国PBO计划中布设的分量钻孔应变仪是澳大利亚Gladwin制造的，美国人自己还生产不了，因为“在世界范围内，只有2～3个研究小组能提供符合大地测量标准的、满足PBO科学研究需要的应变仪”（PBO计划建议书）。而我们中国人自己能够生产分量钻孔应变仪！

 

下表是美国PBO项目使用的GTSM三分量钻孔应变仪与我国的YRY-4型四分量钻孔应变仪的比较。

 

在各方面支持下，从2006年4月到2007年底，40套仪器布置在东到上海，西到玉树、格尔木，北到丰满、敦化，南到攀枝花、腾冲的广大国土上。中国数字地震观测网络采用了先进的网络技术，可以随时读取需要的观测数据。这些台站大部分都能记录到清晰的应变固体潮，小部分台站因为选点时未避开抽水机井，固体潮被抽水干扰掩盖。此外，由于数据采集设备的限制，“十五”布设的40套仪器，采样速率只有1分钟1次，限制了仪器高频优势的发挥，这一问题将在今后得到解决。

 

应变固体潮是日、月天体引力变化引起地球有规律的形变所致。是地球科学中唯一可以预先计算出以后变化的现象，可形象地比喻为地球的“脉搏”或“心电图”。地球科学家通过固体潮现象可以了解地球结构的多方面信息。仪器能记录到清晰的应变固体潮，表明仪器传感探头与岩石地层已连成一体，同时表明安装仪器的岩层与深部地层也有良好连接。记录数据能反映地层真实应变变化。

 

一定数量的高性能观测仪器布设下去后，从取得的近一年观测数据中，我们发现在地震活动平静地区，记录的固体潮非常清晰、光滑，潮汐因子相对精度能达到0.001的高精度。但在地震相对活动地区，固体潮上就不时会出现一些台阶、脉冲或固体潮图形畸变。在极少数台站上，这种现象还比较严重。在40个台中最接近汶川的姑咱台上，2007年2月前的固体潮记录很光滑，4月中旬后固体潮记录上不断出现“压性脉冲”。YRY型仪器有4个分量，比观测对象平面应变3分量多一路数据，因而具有数据自检功能。如果应变数据满足自检方程，就可确定仪器探头记录的是地层的真实应变变化。姑咱台的数据满足自检条件的相关系数高达0.996。其他记录到台阶、脉冲或固体潮图形畸变的台站，自检相关系数也都在0.99以上。

 

由此我们对中国大陆地震活动的整体情况就有了一些根据实际观测数据得出的认识，写在了2007年7月20日呈送给中国地震局的《分量钻孔应变仪项目实施情况报告》中：

 

1.支持中国大陆地块从2007年上半年开始了新的活动的判断，活动区域以南—北带及其延伸地区为主。

 

2. 指出了3个需要特别注意并加强监视的地点。其中第一个就在距汶川最近的姑咱台附近，第二个在南—北带的中偏南段。

 

3.指出了一大批没有异常的地点，如佘山、营口、临沂、襄樊、格尔木、江宁、双阳、门源等台处于应变平稳变化阶段，因而是无强震危险的地区。

 

我们按照李四光地应力监测地震预报思路，还只迈出了第一步就看到了希望的曙光。根据初步的观测数据，分出了稳定地区和有异常的地点，这正是对抗破坏性地震突然袭击最需要的警号。

 

2007年底，我们完成了网络项目40套仪器的安装任务。2008年2月27日，在离姑咱台仅26公里远的康定发生4.7级地震，姑咱台的情况更不让人放心了。在向中国地震局监测预报处汇报后，于2008年3月16日我们带了测试设备专程前往姑咱台检查仪器，结论是仪器工作正常。又返回成都与四川局同志商讨安装第二套仪器的方案，但为时已晚！

 

“十五”数字地震网络工程的40套分量钻孔应变仪对于中国广大的国土面积，数量实在是太少了。如果在唐山地震之后30年的地震平静期中，我们能够早于美国的PBO计划，在国内布下400套仪器，我们就会有包围汶川到北川的多套仪器记录到预警信号。多台仪器的数据将会帮助分析预报人员肯定异常、圈出震源体范围，预估未来地震的震级，实施长、中、短、临渐进式预报，逐步逼近震源……最终也许我们能够像预报海城地震一样，拯救数万生命。但现在，这一切只能留给以后了。

 

与此同时，我们还发现了各台站观测到的固体潮潮汐因子（观测振幅和理论振幅之比）与理论值偏差很大，观测结果与理论间的巨大偏差说明理论认识存在重大缺陷。原因在于，现有固体潮理论没有考虑实际地层中存在断层！而断层和地震间又有密切的关系。

 

观测数据表明，各台站对不同方向固体潮的响应并非如以前认为的是各向同性的。大部分台站的潮汐方向响应在地平面上呈“8”字形，但有的腰粗有的腰细。普遍的规律是“8”字形的长轴都和台站附近主要断层走向平行。原因是断层阻隔了潮汐应变的传递路径，造成了潮汐响应的各向异性。此项发现已发表在2007年底的《地球物理学进展》上。这项发现对地震预报研究也具有重要的意义。

 

按照地质学家的说法，中国大陆是由若干“活动地块”拼接成的。大地震则与“活动地块”间的相互作用关系极大。但现在我们却缺乏监测各活动地块相互作用的观测手段。GPS可以发现大范围的地面运动，其灵敏度却不足以发现各地块间的相对运动。地块间的相对运动位移量虽小，却会明显改变地块间断层的接触状态，使平静期稳定不变的潮汐响应方位玫瑰图出现明显变化。实际观测数据表明，在汶川地震前，南京江宁台的玫瑰图十分稳定，青海玉树台和格尔木台的玫瑰图就不稳定。

 

地震学是门观测科学，只要观测手段向前发展了，就一定会有所发现，有所前进的。

 

地震科学先是依靠测震仪记录不连续的地震事件来认识地球、地壳运动和地震本身；之后，引入GPS观测技术；很快发现在测震和GPS观测手段间仍存在频率盲区，又引入钻孔应变观测；现在，国际上的共同认识是：依靠测震、GPS和钻孔应变三种观测技术的协同，地球科学家终于能够在数十赫兹至数十年的全频段观测地球、地壳运动和地震了。

 

钻孔应变观测不仅可以填补测震和GPS间的频率盲区，它优越的高频性能，还可将三种方法总共数十赫兹的观测频宽提高两个数量级！（《深井宽频钻孔应变地震仪与高频地震学——地震预测观测技术的发展方向，实现地震预报的希望》，《地球物理学进展》2007年4期）

 

为了研究地震的孕育和地壳运动，GPS观测的地面位移向量数据必须换算为地面应变。钻孔应变则直接观测地层的应变张量，其灵敏度比GPS要高2～3个数量级。钻孔应变观测量的张量性质，使得单点观测就能感应到附近断层的存在。还有更多的信息正等待我们挖掘。

 

上面介绍了作者熟悉的钻孔应变观测技术在我国的最新发展。随着GPS大地测量技术、电磁卫星等新观测技术的飞速发展，与测震技术一起，地震预报的成功率一定会不断地提高，逐步满足社会和公众对破坏性强烈地震作出准确预报的要求。

 

 

当年海城和唐山都在圈出的地震中期危险区，两地都成立了相应的地震机构，组织了测报队伍。海城发布了临震预报，唐山没有发布临震预报，后果截然不同。必须下决心突破临震预报关。

 

地震预报说到底是个信息预测问题。正确的预测需要足够数量与质量的信息输入。

 

经典惯性摆地震仪现在是地震预报人员最重要的观测工具，提供了地震预报所需信息的大部分。但是这种仪器又很不完善。在很多次地震前，许多人听到了从地下传来的隆隆地声，但地震仪上却什么反应也没有；一些大地震前，因为地面缓慢晃动大群人感到头晕，地震仪仍然什么也没有记录到。这种灵敏的科学仪器因为工作频宽限制，不能检测高频的地声和极缓慢的地面运动。

 

必须发展比现有地震仪灵敏度更高、频带更宽的新型仪器，以便接收“地声”之类重要的临震信息。

 

震前地声是重要的临震前兆，是大自然向人类面临重大灾难前发出的最后警号。在发生强烈破坏性地震时，震中区的地下会有多种惊心动魄的地声出现，对此我国丰富的历史文献中有大量记载。1830年6月12日河北磁县发生7.5级大震，震前人们听到地声如“雷吼”,若“千军涌溃，万马奔腾”，于是“争先恐后，扶老携幼，走避空旷之区”，紧接着发生了“屋宇倾颓，砖瓦雨下”的地震灾害。1855年12月11日辽宁金县发生5～6级地震，当地人民“未震之时，先闻声如雷”,于是“早已预防”，从住房里躲避出来，所以“未经压毙多人，只伤男妇子女共七名”，大大减轻了伤亡和损失。

 

近代许多破坏性地震前的地声更有详细的记载。大量调查资料表明，就是被认为“大震前一个前震也没有记录到”的唐山7.8级地震前，震前的地声也是明显而强烈的。据调查，距1976年7月28日唐山7.8级地震震中100公里范围内，在临震前没入睡的居民中，有95%的人听到了震前的地声。震前地声最早出现在7月27日23时左右，这些早期听到的地声比较低沉。如在河北遵化县、卢龙县，很多人在27日晚23时听到远处传来连绵不断的“隆隆”声，声色沉闷，忽高忽低，延续了一个多小时。

 

1970～1976年间我国发生7级以上破坏性地震7次，全部有震前地声前兆。千万不能漠视大自然给我们发出的最后警告！

 

地震预测被公认为是世界科学难题。其实，与地震预测类似的材料破裂的预测在工程界已得到较好解决。利用高频声发射技术，对飞机机翼大梁、大型化工压力容器、核反应堆压力包壳等重要构件裂纹扩展的检测与结构破坏的预测工作已是工程的常规操作。与此类似，将宽频钻孔应变仪布设在潜在震源四周，既监测缓慢的地壳形变活动，又检测震源区的高频极微震活动，必定会给地震预测分析研究人员提供更丰富的信息。根据材料破裂理论及声发射技术检测材料破裂的实践，唐山地震前地震仪器没有记录到前震，并不等于没有极微弱的、振动频率在目前地震仪器观测频带之外的地层微破裂、高频极微震发生。如果有灵敏度更高、观测频带更宽的仪器，很可能在唐山大地震发生前会记录到震前高频极微震或地声信息而作出某种程度的预警，唐山的灾难就会像海城那样得以避免。

 

我国地震预报总结出“长、中、短、临渐进式”的预报思路。在确定了中、短期地震危险区后，进一步跟踪震情发展，加密布设埋设在井下基岩中的可以监测地层微破裂高频信号的宽频仪器，会比人耳和动物更早监测到大量高频极微震和地声。对这些来自地下宝贵信息的科学分析，定能帮助震区摆脱噩运。

 

 

“自主创新是一个民族发展的不竭动力，是支撑国家崛起的筋骨。没有自主创新，我们就难以在国际上争取平等地位，就难以获得应有的国家尊严，甚至难以自立于世界民族之林。”

 

新中国成立，中华民族走上了复兴之路。西方的封锁、禁运没有阻档住她的精英攻下两弹一星难题。如今，国家、社会和公众将地震预报难题郑重交给了科技人员。这是社会发展迫切要求解决的问题，也是世界科学未解决的难题。面对艰巨的任务，我们一方面要认真学习，更要有独立思考、拼搏进取的精神。让我们拿起李四光开创的地应力、地应变观测这把金钥匙去开启地震预测科学城堡的大门！地震预报，路在脚下。

（作者为中国地震学会地震观测技术专业委员会委员）