地震预测方法概述及潮汐力谐振共振波法研究

贺 巍1）朱国豪2）谭 刚3）

1）陕西省地震局榆林地震台，陕西榆林719000

2）佘山地磁台，上海201602

3）道孚地磁台，四川道孚626499

摘 要 以国内外大量研究成果为基础，详细介绍了各种地震预测分析的方法，分析了潮汐力谐振－共振波法、电离地层常规－异常观测法、氢同位素法、GPS法、钻孔应力变化观测法、地应力法、水下异常观测法和电磁异常法等多种方法。明确了未来发展的需要和应关注的重点，对于地球圈中的物理－化学机制还有待进一步的研究；同时对未来地震预测的发展提出了一些建议，研究地震前兆的机理将是未来地震预测方法研究的要点和关键所在。 中国地震局地质研究所2014 届博士论文（Ⅰ）

关键词 地震预测方法；现状；发展；建议

中图分类号： P315.7；

文献标识码： A；　

doi：10.3969/j.issn.0235－4975.2015.06.011

收稿日期：＊2015－01－06；采用日期：2015－03－19。

Abstract Research results related to various earthquake prediction methods were reviewed in this paper.The needs of future development and focus on earthquake prediction are clearly identified.It is pointed out the physical and chemical mechanism in earth circles should be further researched.At the same time，the development of earthquake prediction for the future demand are suggested.Research on the mechanism of earthquake precursor will be the key of the future earthquake prediction methods.

Keywords earthquake prediction method；current situation；development；suggestion

从古至今，地震预测都是人类研究的重点。近几十年来，各国学者在地震预测方面取得了丰硕的成果，预测的方法和手段不断创新，但是，精度和覆盖区域还是远远达不到需要，很多地震前兆没有被及时发现。所以，对于当今地震预测方法的分析显得尤为重要。

地震预测的“三要素”是震级、时间和地点。地震预测也就是为了预测出地震发生的时间、地点和震级。按照时间长短划分地震预测可分为短－中－长期预测以及临震预测。所有的地震预测方法都是以“三要素”为目的，观测各时期的异常。本文结合近几十年来的科研成果，对多种地震预测方法进行归纳和分析[1－4]。

1.1　地震预测方法发展历程

地球动力学中指出地震的主要表现就是地壳运动，在急剧构造变动的同时，地块会发生破坏活动，地震发生之前在应变、应力、地下水、电磁等方面都会发生异常，地震预测主要的任务就是捕捉并分析这些异常的信息，根据不同的异常采用不同的预测方法。1977年李四光[5]研究得出，地震发生之前相关的地应力场会有加强的一段时期，但是地应力场加强并不一定是发生地震的前兆，当时地区的地质条件也是决定条件。早在1958 年Hast[6]将地应力测量在采矿业中进行应用。我国始于邢台地震发生后，在1966年，通过钻孔观测的方法对地应力变化进行研究，虽然技术还不成熟，但却是世界上首创。在精度方面应力观测无法满足需要，所以应变观测逐渐发展起来。美国于2004年进行的“板块边界的观测计划”，简称PBO，对于

应变观测技术有了大幅度的发展。同时，美国科学家在90年代提出卫星雷达孔径测量技术（InSAR）和全球卫星定位系统（GPS）等三维空间中的测量技术，最早实现了快速高精度区域性地形变测量。我国学者赵永红[7]在1993年研究发现地震发生前地下流体的流动、地下水的化学性质变化等同时对应着地壳应变、应力的异常。在70年代末，人们应用同位素来对地震进行预测。O’Neil和我国学者陈辉在地下热泉中发现氢同位素的值变化同地震之间有一定的联系[7]。

2010和2011年，黄清华[8]等发现，在地震的孕育与发生的过程中能够产生较低频的电磁辐射，监测较低频的电磁信号的异常，已经演变成一种可靠的较为重要的地震短临预测手段，所以，地震较多的国家如美国、日本、中国等，都大规模开展了实验与理论相结合的相关研究。同时还建立了理论电磁模型，用来对电磁观测点的选择和电磁预测地震机制方面进行探讨。大量研究成果发现，在地震发生前的几天至几个月甚至几个小时以内能够探测出电离层的扰动，但是电离层扰动的现象能否作为地震的预测方法，还有大量的问题需要深入而系统的研究。在最近几年也有利用地电场和地电阻率作为地震短临预测的手段。潮汐力谐振－共振波法可用于观测断层在失稳时地壳中的介质对潮汐力的影响，同时也可作为预测地震的方法。

1.2　地震预测原理与进展

1.2.1　潮汐力谐振－共振波法

地电潮汐力的共振波称为RT波，为一种声波，该波主要在地壳多孔介质中传播；地电潮汐力的谐震波简称HT波，该波周期相当潮汐力的周期。在一般情况下，岩石的电阻率在受到孔隙的应变影响的情况下，其形式可以由Archie定律的扩展公式描述：

其中φ为孔隙度，ε为应变，ρ0为孔液电阻率，E为电场，F为应力。用此公式对比Archie经验定律为

在对比各项后，可以发现当孔隙压力变化下或应力作用时，结构指数n已不再是常数，而是应变ε函数，其形式如下：

以上表明，当应力作用时或孔隙压力变化下，岩石电阻率ρ和应变ε间呈指数函数关系，对应变反应十分灵敏，同时放大系数K能够达到100倍以上。

通过阿契定律知道地震在发生之前，断层中地震失稳前源区域λ（介质刚度）趋近于0，HT波振幅跟λ成反比，在震前2个月内频繁出现，短期预报参数设定为把岩体的刚度进入λ趋近于0的时段，即曲线达到巅峰值的时段。对于RT波（共振波），当临震时λ小于等于0，尤其是当驱动力的周期T趋近于T0（岩石的固有周期）时段，阻抗中无功分量等于0，出现幅度变化急剧的RT波，所谓共振，是当驱动力的周期等于固有周期时，这时的固有周期与震源尺度和震源体固有周期相关，就等同于震源体自身的固有振动周期T0.

1.2.2　电离层常规－异常观测法

在其他行星高能粒子的碰撞和太阳辐射下会产生电离层，高空大气（中性）产生电离作用，产生正离子、电子、原子和中性分子共存的等离子体。电离层中的电子浓度随高度的不同而不同，2008年夏雅琴、刘程艳等根据电子浓度的极值区域差异把电离层划分为D、E、F几个层[9]。大量的观测实际情况表明，电离层会在地震前发生异常，基于该现象的解释，当前主要认为，电离层、大气层和岩石圈层之间为耦合关系。所以电离层异常与岩石圈层中地震信息密切相关。2006年肖武军、丁鉴海等建立了部分耦合模型，发现其传播途径主要有机械波、化学、电磁等途径[10－11]。

电离层扰动主要表现在以下几方面：电离层中总电子含量TEC、电离层的突发Es层、电离层的等离子体参数、F2层的临界频率f0F2。

1.2.2.1　电离层中总电子含量TEC的变化电子的含量NT电离层中的单位面积柱体中所含的电子数

Ne为电子浓度，hgo为电离层下边界的高度，hT为柱体上顶的高度，h为高度，NT为电离层总电子的含量，通常用TEC表示。

1.2.2.2　电离层突发Es层的变化

Es（sporadic2E）层是在90～120km高度范围内出现的较为短暂且不规则的电离加强层，一般存在数小时。夜间和白天，以及低－中－高纬都具有明显不同的特征形态。同时临界频率f0Es有较强的时空变化，有时很弱以至完全不出现，有时很强可超过F2层临界频率f0F2，大约15～20MHz。

1.2.2.3　电离层等离子体参数的变化

电离层的电场产生微小变化都会造成离子漂移现象，因此孕震区上方的电离层中异常电场对可观测到的等离子体的离子成分变化有着至关重要的作用。在发生地震前不仅能够观测F2层峰高度原子的O＋浓度变化的程度，还能够记录F2层底部分子离子NO＋和O＋2的浓度变化。在对地震效应和磁暴效应的离子成分比较可以看出，在震前，电子浓度的增加与减少，O＋、NO＋和O＋2的浓度都不会变化，在磁暴时，F2层NO＋和O＋2的浓度增加，O＋浓度减小，因此该种特性可以用来辨别磁暴效应和地震效应。

1.2.2.4　F2层中临界频率f0F2的变化。

电离层特征不仅受电离源的变化影响，还受地球的磁场等影响。然而地磁每日变化是由电离层高空的电流体系引起的，所以在单独研究震前电离层异常变化和磁场变化时，也要对两者同时研究。电离层F2常常是用来表征整个电离层的基本特征的特定区域。f0F2表示电离层的临界频率。研究分析地震前电离层异常的扰动现象，扰动的程度可以按（5）式计算：

式中，f0F2（t）为每日整点实测得出的全月各整点相应的均值（中值），f0F2（Dt）电离层临界频率整点实测值。

1.2.3　氢同位素法

2011年赵永红应用深部水和地表水的氢的同位素含量差异的方法进行了临震预报。两者混合产生了地热水，深部的构造活动特征跟地热水混合比例呈一定的关系[12]。1996年陈辉[13]发现，地球在构造沉积演化的过程中，会经历开放－封闭的去气过程，这时地幔－地壳－水圈之间氢的同位素组成发生明显的分异，向地心处氢同位素逐渐变低。地震发生前，低氢同位素深部的流体和高氢同位素当地的大气降水会按一定比例混合，产生低于该地氢同位素的温泉水；1993年赵永红发现，临震前，在地应力作用下，岩石会产生一些张开或闭合的微破裂，进而部分扩展并连通[7]。同时深部水融入地下水导致其中的温泉水氢同位素值降低；发生地震时，地应力被释放，地应力产生的微破裂逐渐闭合，同时深部水停止供应，温泉水的氢同位素值逐渐回升；地震后，深部水和大气降水再次恢复至原有混合的比例，温泉水的氢同位素值再一次趋近于当地的平衡值。在对数据进行提取时主要参考地震活动性、构造地震特征和地震目录，采集的深部水是断层旁边的水深1km以上且自喷的温泉水，对其进行质谱分析。测出氢同位素随时间变化的曲线特征。

1.2.4　GPS法

地壳形变的有关信息大致分为以下4种：GPS站间观测的基线长度随时间变化序列；基于全球框架GPS位置观测时间的序

列；基于区域基准GPS位置观测时间的序列和区域变形的时间参数序列。目前对GPS地壳形变的数据提取，主要依靠瑞士生产的BERNESE，美国生产的GIPSY/OASIS，GAMIT/GLOBK，处理数据各有特点，以期达到想要的结果。2011年余怀中、程佳[14]发现提取出的信息确定的速度场－相对位移场－应变场对地震模型和地球动力学模型有很好的约束性，实现了理论模型与观测数据的拟合，为预报地震创造了条件。搭建GPS网络，以期在发生地形变化过程中，研究应变和应力随时间演化的变化，以及空间较大尺度中随时间的变化。这对中－长期地震预测、地震危险级别的确定、发现潜在震源区域都有重要的意义，还可能对中－短期地震进行预测。

1.2.5　钻孔应力变化观测法

钻孔应力变化观测法主要包括两种，分别为钻孔分量的应变观测、钻孔体的应变观测。该种观测方法与其他方法比较有明显优势，仪器嵌入地下且占极小的占地面积，避免地面的干扰。在短时间内钻孔应变仪器测到的数据是最精确的，甚至可以记录到固体潮。我国钻孔应力变化观测仪一般下潜到几十米以下的基岩内，观测数据主要为分量应变和体应变。一般测量地壳表层的应力变化。我国在钻孔应变仪上有四向“自洽”元件，具有较高的观测精确度。该结果数据应用广泛：首先，可以观测到连续的变化，即地震预兆－断层活动－固体潮变化；其次，观测同震变化，即应力触发－震源过程－岩石圈自由震荡；最后，观测震后的变化，即慢地震－后续地震等问题。发生汶川地震前，中国地震局逐步增建且改造全国范围内的钻孔应力变化观测站，到2010年已经有一百个高精度钻孔应力变化观测点。同时美国开展了PBO计划，即应用GPS和应变观测仪在形变方面进行测量。在阿拉斯加的南部－圣安德烈断层的附近设置了74个钻孔应力变化观测仪。

1.2.6　地应力法

地应力法即对地应力变化－加强－突变的一系列过程进行观测，找到地应力之间的相关性，为更好的预测出应力的集中点。2007年赵德安[15]发现使应力变化的原因主要是构造运动和重力作用，水平构造运动在地应力的变化上起绝对性影响，其应力场呈多维分布且不稳定。1987年张超[16]根据测量地应力的原理不同，大致将其测量方法分为平衡应力－补偿应力－其它应力等多因素决定，不需直接知道地应力的变化，采用间接物理量计算。为尽可能地降低干扰的程度，仪器下潜的程度越来越深，能获取的信息也越来越多，日本、德国、美国等在近十几年都在探索并研究。德国在1987年的深钻计划中，采取了大深度测井实验。

1.2.7　地下水异常观测法

对地下水的观测主要是水温－水位－水汞－水氡－气汞－气氡－氢气－氦气－二氧化碳等，1986年我国学者施行觉[17]指出水扩散能够在岩体的节理面产生孔隙压力，诱发断层岩体破裂产生地震。2005年陆明勇等认为动水的压力可变化异常与孔隙的压力可用来做中－短期地震预报[18]。最早对地下流体观测的苏联学者[19]，他们在1966年塔什发生地震后，展开运用了水文地质的观测来进行地震预测。美国对地下流体的进行了大量参数的测量称作“地球透镜计划”，分析研究岩石圈与流体的关系。我国始于1966年邢台地震，开展了以水文化学和水文地质学为基础的分布最广的全网覆盖的观测台，通过观测地下水来获取地震的相关信息。

1.2.8　电磁异常法(www.xing528.com)

至今全世界对地震电磁的辐射机制尚没有统一并完整的观点，但其现象和存在事实得到广泛认可。2006年我国学者郭亚红[20]把电磁信号的异常当做短－临期地震预测的手段之一。大地电磁场被看似垂直射入大地

的平面波场，穿透的深度可以表示为电磁波的振幅衰减作为地面值1/e时传播的距离，用δ表示为：其中f为电磁波频率，ρ为岩石电阻率。浅源地震的深度主要在20km左右，在这一范围岩石的电阻率主要为10至1 000欧米，观测频率主要在10赫兹以内。

地震的电磁效应也被称为动电效应[11]。可用（7）式表示为其中φ为孔隙度，σ为电导率，ε为水介电常数，ξ为Zeta电势，η为粘滞系数，V为地电位，P为贯通性空隙压力（地下水压力），I为地电流。稳定电流条件下I为零，这时电位梯度由（8）式表示为

地震电磁效应的核心问题就是地震孕育区的深部运动与在地壳的动力学触发下电流与电荷系统变化的特征，产生其他形式的能量转换成电磁能的内部问题，即“机电转换体”结构。在地震岩石发生破裂的同时，应力会快速的下降，电流流率与强度会发生变化，能够产生电磁辐射，发生地震的电磁辐射效应。机电转换体在局部发生电荷弛豫与分离时，会产生地震电磁波辐射和发光，地震电磁辐射是地震孕育环境中机电转换体随孕育地震过程逐渐激励和增值的结果。地震电磁异常观测通常有下面3种：①地基－无线电信号自主观测型，主要针对大气层－电离层－岩石圈之间的耦合关系。②用卫星作为载体在空间观测大地和地基观测的立体化观测。③地基的被动观测，通过观测岩石圈中的辐射，对更深部电性和地壳结构进行研究，观测其变化。

2.1　地壳岩石断裂的过程

地壳岩石的应力积累超过一定强度时，便会产生破裂，即出现地震断层。地壳岩石性质主要由压力、深度、结构、岩性、是否含有流体等共同决定，其被破坏变形的复杂性也由这些条件共同决定。地壳岩石材料的破坏变形特征是不抗拉抗压，加载速度高和时间尺度小时表现出各种尺度上的破坏。因为缺陷存在，实验室得出的理想的抗压强度远远大于真实强度。

2.2　与断裂相关的化学物理观测－分布－测量值的特征

地震发生与断裂性质是直接相关的，上文提到的地震预测的化学物理方法，也就是对地壳断裂观测。但是对于应变、应力等方法，仪器可放在整块岩石中，地震主要发生在脆弱岩石中，测得异常值能否真实的反映地震相关信息都需进一步研究。沿着断裂带发生的地震，其主要集中范围在8～15km，观测点的深度一般多在几十米，偶尔有几千米的观测点，这样的浅源异常和地震同步性，测网需要加密场观测，加密程度、异常观测点测量这些均需讨论。目前预测方法还是主要以经验公式为主，一般是同测量值的日变－月变－年变的变化趋势做对比，异常现象和发生地震时破裂的相关物理机制暂不明晰。发生地震后分析的数据，也往往带有分析者的主观特色。

2.3　观测量变化的量级

大多数的地震预测方法中观测的物理量都是随时间变化的曲线，其中测量值包含了较多跟地震无关量，震前所产生的异常达到什么程度会发生地震，又怎样准确对应地震地点、时间和震级，以及地震信息和诸多干扰值如何分离，还需要未来学者们共同研究讨论。

2.4　排除噪声与干扰

地震的前兆信息一般需要具有钝感的物理量，主要是因为太小或太过敏感的物理量给信噪分离带来困难，同其他干扰有关的因素也需进行分离，尤其是对于地球上无论哪个位置有地震或者其他变动都会有反应的观测量带给人们的困扰会多于有用信息。

2.5　化学物理方法前景

对地震前兆的研究从古至今未曾停止，而且研究的力度还在加强。地震的前兆有上述的多种表现形式，但是研究的形式还是有很多的局限性。例如从岩石破裂的实验中我们得到了很多有意义的研究成果，但是在实验室里的岩石破裂研究成果与地震发生的岩石破裂有着明显的差异，同时我们得到的波速比异常往往缺乏系统的论证，在这方面的研究还有待大幅度提高。加大对震源区域深部详细的结构探测、地球动力学研究需要大量的岩石圈深部详细的结构探测资料；为了加大对震源区岩石破裂的研究，这种资料就显得十分重要，需对其研究深度达30km，分辨率达到1km[21－26]。展开矿区地震与地震危险区的基础研究势在必行，在矿震区开展深部详细结构探测应运用构造新变动和断裂活动研究、CT详测研究以及应力－应变的动态变化等多方面研究方法。我们相信地震是有前兆的，地震也是可以预测的，应该从地应力着手，因为它是最基础的最原始最重要的要素，其他的因素大多是派生资料，地应力变化是纯粹的力学过程，可以保持至地震之前，同时地应力也是一个相对稳定的因素，作为监测的最主要要素，但同时应也对多种因素进行精细测量，因为只有一种因素孤掌难鸣。以地应力为主，多手段相辅相成的综合性研究方法才能确保预测的及时准确。由于我国地域面积辽阔，大量市县地震台的建设，实现全面覆盖网络是一项复杂而庞大的工程，还有待强而有力的领导机构，这样才能促进我国地震预测全覆盖的实现。

基于潮汐力谐振－共振波法、电离地层常规－异常观测法、氢同位素法、GPS法、钻孔应力变化观测法、地应力法、水下异常观测法和电磁异常法等多种地震预测方法，本文通过对地震预测方法的讨论，总结并评价了各种方法的用途及发展，这些方法主要都是基于前人工作的总结，但对于地球圈中的物理－化学机制还有待进一步的研究。我们同时对未来地震预测的发展需求提出了一定的建议，研究地震前兆的机理将是未来地震预测方法研究的要点和关键所在。

（作者电子信箱，贺巍：yiqiesui＿2752@qq. com）

参考文献

[1]陈运泰.地震预测：回顾与展望.中国科学：D辑，2009，39（12）：1633－1658

[2]陈棋福，陈颙，李娟，等.地震预测研究与展望.地球物理学报，1997，27（S1）：386－395

[3]杨建思.地震预测研究发展简单回顾与建议.国际地震动态，2005（05）：163－167

[4]孙建中，李慧琴，马媛.地震预测方法评论和建议.地质论评，2013，59（3）：595－600

[5]力学学报编辑部李四光同志关于地震工作的一些意见.力学学报，1977（1）：5－7

[6]Hast N.The Measurement of Rock Pressure in Mines.Stockholm：Norstedt，1958

[7]赵永红，黄杰藩，王仁.破裂带发展的扫描电镜实验研究及其对地震前兆的启示.地球物理学报，1993，23（4）：453－462

[8]黄清华.地震电磁现象的物理学研究.中国地球物理学会第27届年会论文集，2011

[9]夏雅琴，刘程艳，李均之.大地震前震中上空电离层全电子含量异常研究.北京工业大学学报，2008，34（2）：220－224

[10]肖武军，余素荣，丁鉴海.强震前的地磁异常现象.地震，2006，26（4）：52－58

[11]丁鉴海，申旭辉，潘威炎，等.地震电磁前兆研究进展.电波科学学报，2006，21（5）：791－801

[12]赵永红，白竣天，李小凡，等.活动断裂带附近地下水中的氢同位素变化与地震关系研究.岩石学报，2011，27（6）：1909－1915

[13]陈辉氢在地球演化过程中的同位素分馏.地质科学，1996，31（3）：239－245

[14]余怀中、程佳一种将GPS观测应用于地震中短期预测的简单尝试.西北地震学报，2011，33（1）：9－14

[15]赵德安，陈志敏，蔡小林，等.中国地应力场分布规律统计分析.岩石力学与工程学报，2007，26（6）：1265－1270

[16]张超.压磁法地应力测量的应力分量分析方法及有关力学问题的讨论.地壳构造与地壳应力文集（一）：96－109

[17]施行觉.水的扩散与断层的粘滑.中国地震，1986，2（3）：14－20

[18]陆明勇，黄辅琼，刘善华，等.地壳变形与地下水相互作用及其异常关系初探.地震，2005，25（1）：67－73

[19]杜建国，康春丽，等.地震地下流体发展概述.地震，2000，20：107－112

[20]郭亚红.地震前的电磁效应.地震地质，2006，28（3）：481－486

[21]景锋，盛谦，张勇慧，等.中国大陆浅层地壳实测地应力分布规律研究.岩石力学与工程学报，2007，26（10）：2056－2062

[22]李新宁，梁浩，黄卫东，等.异常地层压力地震预测方法及应用研究.石油天然气学报，2007，29（3）：387－390＋518

[23]上田诚也.日本的地震预测.章菲，张少伟译.国际地震动态，2014（2）：1－10

[24]张桂铭，刘文锋.基于震例研究的地震预测预报分析.中国地震，2013，29（4）：528－536

[25]马钦忠.中外几次重要地震预测与预报结果之启示.地震学报，2014，36（3）：500－513

[26]洪时中.地震预测中应当遵循的几条预测学基本原理.地震，2003，23（3）：36－42

Reviews on earthquake prediction methods

He Wei1），Zhu Guohao2），Tan Gang3）

1）Yulin Seismic Station，Shannxi Province 719000，China

2）Sheshan Geomagnetic Observatory，Shanghai 201602，China

3）Daofu Geomagnetic Observatory，Sichuan Province 626499，China