地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (5): 866-876
引用本文
谭成轩, 张鹏, 路士龙, 朱建竹, 丰成君, 秦向辉, 孟静. 原位地应力测量与实时监测在地震预报研究中的作用和意义[J]. 地质力学学报, 2019, 25(5): 866-876.
TAN Chengxuan, ZHANG Peng, LU Shilong, ZHU Jianzhu, FENG Chengjun, QIN Xianghui, MENG Jing. SIGNIFICANCE AND ROLE OF IN-SITU CRUSTAL STRESS MEASURING AND REAL-TIME MONITORING IN EARTHQUAKE PREDICTION RESEARCH[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(5): 866-876.
原位地应力测量与实时监测在地震预报研究中的作用和意义
谭成轩1,2 , 张鹏1,2 , 路士龙3 , 朱建竹3 , 丰成君1,2 , 秦向辉1,2 , 孟静1,2     
1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
2. 自然资源部新构造与地壳稳定性科技创新团队, 北京 100081;
3. 北京市昌平区地震局, 北京 102200
摘要:当2013年4月20日四川芦山Ms 7.0级大地震发生时,中国科学家已不再像2008年汶川Ms 8.0大地震发生时那样茫然和不知所措。其根本原因在于,2008年汶川大地震发生后,龙门山地区开展了大量的科学研究工作,已超前初步认知龙门山断裂带西南端具有潜在地震危险性,特别是原位地应力测量和实时监测已发现绝对地应力大小高值异常和相对地应力大小临震异常变化。论文简要介绍了地震预报国际主流观点与认识,梳理了地应力在地震预报研究中的作用和认识,探讨了2004 Parkfield earthquake钻孔应变监测结果给予的启示,详细介绍了原位地应力测量与实时监测在地震预报研究中应用的实践与探索。实践证明:地震预报是值得探索和研究的,原位地应力测量与实时监测是地震预报的有效方法之一。
关键词原位地应力测量与实时监测    地震预报    北京平谷地应力实时监测台站    四川宝兴地应力实时监测台站    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.05.071     文章编号:1006-6616(2019)05-0866-11
SIGNIFICANCE AND ROLE OF IN-SITU CRUSTAL STRESS MEASURING AND REAL-TIME MONITORING IN EARTHQUAKE PREDICTION RESEARCH
TAN Chengxuan1,2 , ZHANG Peng1,2 , LU Shilong3 , ZHU Jianzhu3 , FENG Chengjun1,2 , QIN Xianghui1,2 , MENG Jing1,2     
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
2. Scientific and Technical Innovation Team of Neotectonics and Crustal Stability, Ministry of Natural Resources, Beijing 100081, China;
3. Beijing Changping District Seismological Bureau, Beijing 102200, China
Abstract: When the Lushan Ms 7.0 earthquake occurred on April 20, 2013, Chinese scientists were not surprised and at a loss what to do as the Wenchuan Ms 8.0 earthquake happened in 2008. The main reason is that a lot of scientific research works have been carried out along the Longmenshan fracture zone after the Wenchuan Ms 8.0 earthquake, and the potential seismic risks have been primarily pre-found at the southwestern segment of the Longmenshan fracture zone, especially, absolute big crustal stress magnitude abnormality from in-situ crustal stress measuring and relative crustal stress short-term precursory abnormal variation from in-situ crustal stress monitoring have been discovered. This paper first briefly introduces the international main views and knowledge on earthquake prediction. Then the inspiration from the bore-hole strain monitoring result of 2004 Parkfield earthquake is discussed. The role and knowledge of crustal stress on earthquake prediction are also summarized. At last, the practice and exploration of in-situ crustal stress measuring and real-time monitoring in earthquake prediction are presented in detail. From the practice and facts, we think that earthquake prediction should be explored and studied, and in-situ crustal stress measuring and real-time monitoring is one of the effective ways for earthquake prediction.
Key words: in-situ crustal stress measuring and real-time monitoring    earthquake prediction    in-situ crustal stress real-time monitoring station at Pinggu District in Beijing    in-situ crustal stress real-time monitoring station at Baoxing in Sichuan Province    

2013年4月20日四川芦山发生Ms 7.0级大地震,地震震中位于2008年5月12日汶川Ms 8.0大地震之西南,距汶川地震震中约90 km[1]。当芦山地震发生后,中国科学家已不再像2008年汶川大地震发生时那样茫然和不知所措。其根本原因在于,2008年汶川大地震发生后,龙门山地区开展了大量的科学研究工作,并已超前初步认知龙门山断裂带西南端具有潜在地震危险性[2-12],特别是原位地应力测量已发现绝对地应力大小高值异常,从实测数据分析明确指出龙门山断裂带西南端未来存在潜在地震危险性[2-3],为了探索地震短期或临震预报,在四川宝兴建立了地应力实时监测台站;自2013年4月5日,已监测发现相对地应力大小变化异常,在研究人员分析的过程中发生了芦山Ms 7.0大地震。实践证明,原位地应力测量与实时监测是地震成功预报的有效途径之一。

1 地震预报国际主流观点与认识

由于地震孕育发生的复杂性和大地震事件的非频发性、地球自身的破碎性、不均质性和不可入性以及太阳系星体之间相互影响的未知性和不确定性[13],自1909年Gilbert[14]提出地震预报一个多世纪以来,虽然人类不断探索与实践,但地震预报成功少[15]、失败多[16-18]。地震成功预报的实例多为主震前有系列小震群等前兆现象,如1973年的中国海城地震[15]、1934和1966年Parkfield earthquakes[16]等;地震预报失败的实例多为主震前基本没有任何明显的前兆异常,如1934、1966和2004年Parkfield earthquakes[16]

到目前为止,关于地震是否能够预报认识不一[19-20],地震预报仍处于经验预报和统计预报阶段[21]。少量的地震成功预报以及在大震前后捕捉到的原地应力绝对值[22-25]和相对值的变化情况显示,地震预报基本还处于经验预报和统计预报阶段中观测事实的水平,还不能从物理、力学机制等方面进行科学推理和计算,即数值预报。地震预报可以借鉴气象预报[26-27]的成功经验,逐步从基于前兆的经验预报、统计预报,发展到基于对地震发生物理、力学机制研究基础上的数值预报[21]

李四光先生指出地震是一种地质现象,是现代地壳运动的一种表现[28-29]。进行地震预测预报研究需要开展地震地质工作,并把地震地质研究的目标概括为两个方面:一是确定中长期地震危险性预测区带,为短期或临震预报指明方向和工作重点,为防灾减灾服务;二是在确定的地震危险性区带开展区域地壳稳定性评价和活动断裂工程地质稳定性评价,寻找“安全岛”或“安全带”,为国家安全建设服务。李四光先生是中国原位地应力测量与实时监测的奠基人,也是中国应用原位地应力测量与实时监测研究地震地质和地震预报的创始人[28-29]

目前,在不放弃地震预报的同时,人们逐渐把重点转移到抗震救灾方面[16]。虽然抗震救灾可以最大程度的减少人类伤亡,但无法实现主动防震减灾、避免人类伤亡。地震预报仍然是地震地质研究的圣杯(Holy Grail)[16]

地震预报需要确定地震发生的地点、大小和时间三要素。通过活动构造、断层规模、活动速率、古地震等研究可以初步确定地震发生地点、估算地震震级大小,但关于地震发生的具体时间,地震预报研究的科学家们虽然运用多种方法进行地震前兆监测,一直是没有攻克的科学难题[16]。原位地应力测量与实时监测是地震成功预报的有效途径之一。

2 2004 Parkfield earthquake的启示

The Parkfield Experiment(http://earthquake.usgs.gov/research/parkfield/index.php)是人类迄今为止最系统的地震预报现场实验,希望通过钻孔分量应变和体应变、断层位移、微震、地磁、地电、地下水等实时监测,捕捉到大地震发生前的各种前兆异常,可当2004年9月28日Parkfield, California, Mw 6.0 earthquake发生时,仅钻孔应变在24小时之前有一个不明显(<10-8)的异常[16]。这可能与监测仪器的安装深度、方法等有关。一般认为岩石破裂的临界应变值为10-4~10-5量级大小[30],对于目前具有10-9~10-10精度的应变监测仪器,理论上应该完全能够监测到地震岩石破裂前的应变前兆变化,但由于应变监测仪器的安装深度(100~200 m)远远小于震源破裂深度(一般为10~20 km),往往深部震源附近的强烈应变不一定能够在地壳浅表层应变监测仪器的安装深度产生显著变化。根据广义胡克定律(σ,其中地壳岩石弹性模量(E)一般为104~105 MPa量级大小),应力变化会相对显著,实践证明进行地应力(如压磁电感法地应力等)实时监测更为有效。由于在地下钻孔100~200 m深度安装应力应变监测仪器存在很多技术上的难点,目前国际上普遍采用水泥浇筑耦合的方法,如The Parkfield Experiment等,在钻孔内有水的条件下,水泥浇筑耦合方法存在很多不确定因素,可能严重影响监测结果的有效性。而采用地下钻孔内电动机械安装方法,使应力应变监测仪器直接与孔壁接触,并依据监测仪器安装深度附近原地应力大小和方向绝对值测量结果,确定地应力(如压磁法地应力等)监测仪器与孔壁的耦合状态和程度,最大程度地使监测仪器有效的置换钻探取出的岩心,大大减小类似人体器官移植所引起的排异反应,获得好的监测效果,下述的北京平谷和四川宝兴地应力实时监测就是两个典型实例。此外,The Parkfield Experiment缺少必要的深孔原位地应力绝对测量和构造应力场研究。

3 地应力在地震预报研究中的作用和认识

对于地震引起岩体破裂的预测,应力是一个关键量,地质体的强度是另一个关键量。应力超过强度就会破坏,在应力增强过程中,还有一些间接的表现,例如小的破裂(微震活动),地质体如果具有磁性和导电性,并有孔隙和含水,那么随着应力增大在破裂前会有电磁、孔隙水方面的前兆异常,即有多种物理前兆。我们既要关心间接的派生的前兆,更应该关心直接的因素——应力[21]

为此,众多科学家间接的从解析计算[31-35]、地震波反演[36-43]、数值模拟[44-55]等方面研究地震过程中地应力变化及其在地震预测分析中的应用。积极探索原位地应力测量与实时监测可能是地震成功预报最直接和有效的途径之一,也可能是实现地震预报成功的关键。

原位地应力测量包括地应力解除、水压致裂等方法[56-57],可以获取地应力状态绝对值,作为地震危险性评价的背景值[2-3, 58-61]。结合活动构造、断层规模、活动速率、古地震等研究可以初步确定地震发生地点、估算地震震级大小。

原位地应力相对变化实时监测包括压磁电感等方法[56],可以动态揭示地应力大小的变化趋势和地震前兆异常特征,并可计算不同时域地应力状态绝对值。配合岩石力学和构造应力场综合分析、数值模拟等方法,探索研究地壳浅表层地应力绝对测量和相对监测结果与深部震源地应力状态之间的关系,并运用岩石力学摩尔库伦强度理论,评价断层活动危险性。结合形变、地震、地下水、重力、地磁、地电、地壳结构构造等测量与探测[16-18, 62-63],以及动物、气象等异常,进行综合分析,解决地震预报三要素中的时间问题,实现地震短期或临震预报。

4 原位地应力测量与实时监测在地震预报研究中的应用实践与探索

地震是地球内部地应力和能量突然释放的结果[21, 28-29, 64-66],地应力是最直接的反应,这一现象被强震发生前后地壳浅表层的原位地应力绝对测量结果和相对变化实时监测结果所证实[67-68],在地震前后,发震断裂附近地区的原位地应力绝对测量结果揭示了主应力状态(大小和方向)均发生显著变化[22-25]

4.1 2001年11月14日昆仑山Ms 8.1大地震发生前后的地应力测量结果

2001年11月14日昆仑山Ms 8.1大地震发生前后在昆仑山口西大滩附近开展了压磁应力解除地应力测量(表 1)。大地震发生前后断裂附近地应力大小和方向发生较大变化,其中地震发生前实测地应力大小是该深度该地区平均值的4~6倍,应力高度集中。地震发生后,地应力大小降低约三分之二[22]

表 1 昆仑山Ms 8.1大地震前后压磁应力解除地应力测量结果 Table 1 In-situ crustal stress measurements by piezomagnetic stress overcoring method before and after Kunlunshan Ms 8.1 earthquake
4.2 2008年5月12日汶川Ms 8.0大地震发生前后的地应力测量结果

2008年5月12日汶川Ms 8.0大地震发生前后在龙门山断裂带映秀—北川发震断裂北段的青川及广元附近开展了水压致裂地应力测量(表 2)。大地震发生前在发震断裂上盘地下400 m左右深度测得最大水平主应力值为21~22 MPa,与其附近断裂下盘同等深度之差高达8~10 MPa。大地震发生后原地重复测量结果表明,发震断裂上盘同等深度最大、最小水平主应力值分别降低了约29%和23%,而在下盘大地震发生前后的地应力大小并无明显变化。测量结果分析表明,活动断裂带的地应力高值异常是圈定地震危险区的可靠依据,是强震孕育和发生的警示标志[25]

表 2 汶川Ms 8.0大地震前后水压致裂地应力测量结果 Table 2 In-situ crustal stress measurements by hydrofracturing method before and after Wenchuan Ms 8.0 earthquake
4.3 北京平谷地应力实时监测台站对2011年3月11日日本9.0级大地震的响应

平谷地应力实时监测台站位于北京地区的东北部位,距日本9.0级大地震震中约2200 km,位于地震震中的北西西方向(图 1),是一个典型的地应力监测台站对远场构造作用的响应。该台站采用三分量压磁电感地应力监测探头,安装在燕山期花岗岩体钻孔中,安装深度为距地面65 m,采用电动机械安装方式,监测探头直接与孔壁接触。

图 1 北京平谷地应力实时监测台站位置 Fig. 1 The sketch map showing the site of the crustal stress real-time monitoring station at Pinggu District in Beijing, China

日本9.0级强烈地震对中国大陆的影响,是国内外专家与社会各界普遍关注的热点问题。平谷地应力实时监测台站全程记录并获取了2011年3月11日日本9.0级大地震发生过程中及其前后地应力大小(图 2)和地下水位(图 3)相对变化的数据,尤其是大地震发生的前兆应力变化。从图 2可以看出:地应力监测数据表明太平洋板块向西俯冲导致的日本9.0级强烈地震对中国大陆的应力状态产生了显著影响,具有明显的震前异常(2月3日~10日和2月27日~3月8日)、震时突变(图 4图 5)和震后调整(3月11日~6月5日)的特征。震时在该站周围地壳浅表层沿东西方向的挤压应力大幅增加,NW280°方向探头应力增幅达22 kPa(图 4),地下水在大地震后4小时左右上升约50 cm(图 5)。关于地下水位上升并且较地应力滞后,可以从地下水所处环境予以合理解释,由于该台站地下水可能基本处于封闭环境,当地应力增加后,导致孔隙水压力增大,进而引起地下水位上升。平谷地应力实时监测台站客观记录了日本9.0级大地震对中国大陆东部现今地应力场的重要影响,为地震地质分析提供了重要依据。

图 2 北京平谷地应力实时监测台站记录的2011年3月11日日本Ms 9.0级大地震及Ms≥6.0级地震诱发的地应力大小相对变化 Fig. 2 Crustal stress magnitude relative variation triggered by the Tohoku-Oki, Japan, Ms 9.0 earthquake on March 11, 2011 and its Ms≥6.0 fore- and after-earthquakes at the crustal stress real-time monitoring station at Pinggu District in Beijing, China

图 3 北京平谷地应力实时监测台站记录的2011年3月11日日本Ms 9.0级大地震及Ms≥6.0级地震诱发的地下水位相对变化 Fig. 3 Underground water level relative variation triggered by the Tohoku-Oki, Japan, Ms 9.0 earthquake on March 11, 2011 and its Ms≥6.0 fore- and after-earthquakes at the crustal stress real-time monitoring station at Pinggu District in Beijing, China

图 4 北京平谷地应力实时监测台站记录的2011年3月9日—14日地应力大小相对变化及Ms≥6.0级地震 Fig. 4 Crustal stress magnitude relative variation on the hour and Ms≥6.0 earthquakes from March 9 to 14, 2011

图 5 北京平谷地应力实时监测台站记录的2011年3月9日—14日地下水位相对变化及Ms≥6.0级地震 Fig. 5 Underground water level relative variation on the hour and Ms≥6.0 earthquakes from March 9 to 14, 2011

平谷地应力实时监测台站之所以能够反映并记录到日本9.0级大地震所诱发的地应力相对变化信息,主要取决于以下四个方面的因素:一是空间大地构造上平谷位于濒太平洋俯冲构造带的西侧上盘;二是日本9.0级大地震的震级和能量足够强大、影响范围足够远;三是在构造发震背景上日本9.0级大地震属于俯冲构造诱发型,一般认为这类地震能量可以传递较远的距离[69-70];四是平谷地应力监测台站其中一个监测探头安装在NW280°方位,基本位于诱发日本9.0级大地震俯冲构造作用方向的西侧延伸方向。正如Bakun等[16]所强调的,获得一个大地震高质量的监测资料是一件不容易的事情:人们必须在正确的地方、正确的时间采用正确的仪器。

4.4 四川宝兴地应力实时监测台站对2013年4月20日芦山7.0级大地震地应力监测异常的发现

宝兴地应力实时监测台站位于龙门山断裂构造带的西南端,距2013年4月20日芦山7.0级大地震震中约20 km,位于地震震中的西北方向(图 6),是一个典型的地应力监测台站对近场构造作用的响应。该台站采用四分量压磁电感地应力监测探头,安装在前寒武纪杂岩体钻孔中,安装深度为距地面50 m,采用电动机械安装方式,监测探头直接与孔壁接触。

图 6 龙门山断裂带地应力实时监测台站分布 Fig. 6 The distribution of the crustal stress real-time monitoring stations along the Longmenshan fracture belt

地应力实时监测发现,自2013年4月5日,NE60°和NW75°方向地应力大小相对变化出现异常,由于没有类似的先例和科学的判断准则,在研究人员分析的过程中发生了芦山Ms 7.0大地震。根据该台站记录的芦山7.0级大地震发生前、时和后地应力大小相对变化和≥4.0级地震如图 7所示,主要变化特征为:

图 7 四川宝兴地应力实时监测台站2013年3月1日以来地应力大小相对变化曲线及Ms≥4.0级地震 Fig. 7 Crustal stress magnitude relative variation and Ms≥4.0 earthquakes since March 1, 2013 at Baoxing crustal stress real-time monitoring station, Sichuan Province

(1) 大地震发生前,自2013年3月1日~4月4日,监测探头NW75°方向地应力大小缓慢增加,而NW30°、NE15°和NE60°方向地应力大小均缓慢减小;自4月5日~4月20日8:00,NE60°方向地应力大小快速增加,增加幅度约为234 kPa,NW75°方向地应力大小增加深度略有增加,增加幅度约为142 kPa,而NW30°和NE15°方向地应力大小总体仍缓慢减小;监测探头的四个方向在大地震发生前均有2~3天的突变现象,变化幅度约为20 kPa。

(2) 大地震发生时,监测探头NW75°方向地应力大小快速突降调整,降低幅度约为80 kPa(由于大地震发生后电力、通讯和交通中断,无法获得地震发生后瞬间(如分钟或整点)四个监测方向的地应力大小,降低幅度是依据4月20日8:00和4月21日17:00地应力大小计算的差值,下同),NE15°方向地应力大小快速突降调整,降低幅度约为40 kPa,而NW30°和NE60°方向地应力大小总体变化趋势与大地震前基本相同。

(3) 大地震发生后,监测探头四个监测方向的地应力大小变化幅度明显比大地震发生前强烈。截至6月8日11:00,NW75°方向地应力大小总体仍表现较快的增加趋势,增加幅度约为428 kPa,NE60°方向地应力大小总体仍表现较快的增加趋势,增加幅度约为400 kPa,NE15°方向地应力大小总体表现为缓慢增加趋势,增加幅度约为66 kPa,而NW30°方向地应力大小总体表现为缓慢减小趋势,减小幅度约为74 kPa。

(4) 宝兴地应力监测台站四个监测方向的地应力大小在大地震发生前、时和后的变化趋势与构造地质环境分析、震源机制研究等结果相吻合。由于宝兴地应力监测台站位于芦山地震发震断裂的西北方向,从构造地质环境分析,芦山地震对该台站附近的地应力环境仅仅是调整作用,不会改变其现今地应力环境。从芦山地震发生后宝兴地应力监测台站地应力大小变化趋势分析,认为该台站附近的发震断裂仍有可能发生强烈地震,已有研究成果也支持这一认识[71-72],值得关注!

5 结论与认识

(1) 各种研究表明,地质构造运动是有规律的,并非完全的随机运动,地震预报是可以探索和研究的,原位地应力测量与实时监测是地震预报的有效方法之一。

(2) 运用地震地质研究理论,采用岩石力学与构造应力场研究方法,选择关键构造部位开展原位地应力测量与实时监测是地震预报研究的关键。

(3) 原位地应力绝对值测量结果可以用于评价地震危险性背景,不断积累不同断裂构造(逆冲、俯冲、走滑、压扭、张扭、张性等)诱发构造地震的地应力实时监测相对变化特征,尤其是前兆变化特征,是实现地震逐渐由经验预报、统计预报发展到数值预报的必由之路。

致谢: 感谢龙长兴研究员、侯春堂研究员、董树文教授、马寅生研究员、廖椿庭研究员、邹鹏程研究员、孙叶研究员、吴树仁研究员、安美建研究员等有益的讨论和建议。

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