地震前兆的观测和鉴别
——纪念1976年唐山地震40周年
作者：黎凯武
来源：2016年07月28日求是网
一、是否存在有助于预报的地震前兆？
2005年美国《科学》杂志（Science）提出全球125个科学前沿问题。其中包括“是否存在有助于预报的地震前兆？”问题。
地震是危及人类生存和发展的自然灾害，上个世纪以来世界进入经济和科学技术飞跃发展的时代，但也是地震破坏严重的时代，1906年美国旧金山地震、1920年中国海原大地震、1923年日本关东大地震、1960年智利巨大地震、1976年中国唐山大地震，1995年日本板神大地震，死亡人数达上百万，东京、唐山、板神等几座现代化大都市被摧毁了。21世纪以来全球进入了地震活跃期，先后发生了2004年苏门答腊九级和2011年日本九级大地震，以及包括2008年中国汶川8.0级大地震的一系列特大地震，死亡几十万人、财产损失特别巨大，人们束手无策，地震预报的重要性、紧迫性再次引起人民的广泛关注和重视，作为全球最高权威的科学杂志，“science”在2004年12月26日苏门答腊9.5级巨大地震后于2005年提出了地震预报的问题，非常及时，提醒人们要踏踏实实地从地震前兆问题开始，认真总结经验和教训，从科学技术层面，努力推进地震预报工作，争取在本世纪末取得重大突破。
二、地震前兆的复杂性和真伪性
从1906年美国旧金山大地震以来一百多年，科学家们对地震前兆进行了大量的观测和研究，以及地震预报，有成功的预报，如中国1975年海城7.3级地震、1976年松潘7.2级地震，但大多数大地震还是漏报了，包括最近一系列的九级、八级大地震。表明地震是有前兆的，即存在有助于预报的地震前兆，但存在更多的真假难分地震前兆异常，说明地震前兆的复杂性和真伪性，必须进行科学鉴别和机理识别，就象癌症诊断一样，应用CT、磁共振和超声（B超）技术把占位性肿瘤找出来，再作细胞病理鉴别，确认是恶性和良性。地震预报比癌症诊断更为困难，因为地震发生在地下深处，地球的不可入性，使得CT等影像探测技术无法进入震源深处观测，仪器只能在地表层进行观测，因此对震源的形成变化发展过程和前兆产生及机理知之甚少。目前还没有真正有效的、地震前兆的鉴别方法和机理识别方法，把所有的有助于预报的地震前兆找出来，所以地震就漏报了。这是科学技术水平问题，不是人为问题，只有充分应用现代科学技术观测、分析和鉴别地震前兆，才能推动地震预报向前发展。
三、有助于预报的地震前兆亮点及鉴别
尽管目前没有取得地震预报的重大突破，绝大多数大地震都漏报了，所幸的是，由于科学技术的发展，如卫星技术和信息技术，及地震本质和现象的更大暴露；使人们更加清楚地看到了一些地震前兆的亮点、难点及其攻关的方法途径以及真伪的鉴别。亮点很重要，科学技术的发明和发展史表明：“亮点的发现，就是成功的一半”，有了亮点就有了目标和方向，有了突破口。难点也很重要，难点看清了，解决难点的方法和途径就有了。地震前兆的亮点是什么？就是；一、地壳构造运动的闭锁，是大地震震中区破裂的前兆，是大地震地点预测的亮点；二、直接前震是前震—主震型地震序列主震发生的前兆，是短临预测的亮点；三、直接前兆是大地震临震阶段震中区发生的前兆，是大地震短期和临震三要素预测的亮点。
（1）地震前兆的亮点
1. 地壳运动构造边界带中的闭锁是大地震震中破裂的前兆--大地震震中地点预测的亮点。这种地壳运动闭锁往往是地壳应力集中、地壳应变积累的结果，地壳运动闭锁区地壳应变强度达到地壳岩石的极限强度后，地震随时可能发生，因此这种闭锁区是强地震潜在危险区并为地震历史证明。在上世纪60年代，人们就提出了构造活动闭锁区和地震空区的概念，并发现地震活动的空区为地震危险区，如1970年通海7.7级，1974年永善7.1级，1976年唐山7.8级，1988年耿马7.6级等大地震都发生在大地震活动的空区里，因而地震空区就成为危险区预测的亮点，但是这种方法在时间上和空间上具有很大的不确定性，如日本人预报东海大地震，至今40年过去了大地震始终也没有发生。而90年代精密GPS应用之后，证明哪些发震的空区就是地壳运动构造带闭锁区，丽江地震、汶川地震和芦山地震等证明GPS大地测量方法判定这种地壳运动闭锁区为危险区具有更高的确定性。所谓地壳运动闭锁区就是地壳运动由常规速度逐渐变成低速或“0”速度的地方，通常是构造快体边界带上发生，包括活动断层的闭锁。1996年丽江7.0级地震，1999年台湾集集7.6级地震和2001年昆仑山口西8.1级等地震就是例子。1994年中国地震局武汉地震研究所赖锡安等人与德国汉诺威大学合作在云南滇西地震预报试验场进行GPS测量，发现丽江地区几处活动断裂处在闭锁状态和短期危险状态，预测该地区近两年将发生7.0级地震，结果1996年2月3日丽江7.0级地震发生了。2001年11月14日中国大陆昆仑山口西8.1级地震，震前两天中国地震局分析预报中心的专家曾指出中国大陆西部地区地壳运动异常是一个8级地震的背景，震后GPS地壳运动网络数据处理表明震中区是一个地壳运动闭锁区。2008年汶川8.0级特大地震之前，GPS测量表明龙门山断裂是闭锁区，并于2005年作为15年尺度大地震危险区上报国务院。
2. 直接前震（序列）是前震—主震型地震序列主震短临前兆，是主震预测的亮点。l966年3月22日邢台7.2级地震之前于3月8日发生6.8级强烈地震，此前发生包括3月6日5.6级地震在内的6个中小地震，这就是邢台6.8级和7.2级地震的直接前震序列。3月7日一些地震工作者已经到达邢台震区，由于对直接前震缺乏认识，没能对6.8级地震和7.2级地震作出预测预报，震后才发现这是大地震的直接前震。这一认识对于1975年海城7.3级大地震的成功预报起了非常重要的作用，因而直接前震成为地震预测的一个亮点。但直接前震序列与一般的中小地震序列在很多情况下容易混淆很难区别，因此上世纪80年代以来地震学家对前震总体进行严格的分类研究，包括前震的定义、时空分布特征、频率特征、震级特征、波形特征、前震的识别方法和判定指标，以及在地震预报中的应用研究。如陆远忠、梅世蓉、王林瑛和李大鹏等人对前震进行分类的全面的研究。陆远忠首先对前震作了定义，指出：“序列中主震前发生的地震叫前震，主震后发生的地震为余震，前震一般在主震前几分钟或几天发生。前震、主震和余震均处在主震震源区内，是震源区同一失稳过程的结果。”接着梅世蓉和冯德益将前震定义为：“前震是主震前发生在震源区内与主震有关的一些地震，前40天中发生在距主震100km内的地震被认为是有意义的前震，或称直接前震。”王林瑛、陈佩燕、吴忠良等人对中国大陆东部地区M5.5以上主震，西部地区（东经105。以西）M6.0以上主震，117次主震事件的前震情况作统计研究，研究了直接前震与主震的时间和空间分布特征。空间、时间分布统计结果指出与陆远忠、梅世蓉给出的描述基本相符，但优势的时间间隔分布在25天以内，而空间分布优势在50km以内，他们还指出主震与直接前震的震级差分布特征，即直接前震与主震震级差的优势分布在1—1.5级。由于前震研究的以上成果因而在地震预报中取得一些地震的成功预报，如1995年7月12日的孟连7.3级地震和1999年11月29日辽宁岫岩M5.6地震的成功预报。
3. 直接前兆是大地震短临阶段震源短临前兆——地震短期和临震三要素预测的亮点。直接前兆是大地震短临震阶段在震源区发生的前兆。前面已经说过直接前震（序列）就是直接前兆的一种，是前震——主震型地震序列中预报主震的最有效前兆，但对于主震——余震型大地震就没有意义了，如1976年7月28日唐山7.8级大地震是主震——余震型地震，地震前相当长时间震中区都是地震空区、无中小地震发生，当时无前震依据，很难作出大地震预测，结果大地震漏报了。对于90％以上无直接前震的大地震依据什么做出预测呢?人们在长期的地震预测研究中发现，一种发生在震源区内的短临前兆，它们与一般的前兆不同，具有突发性、频发性和巨变性，与直接前震（序列）性质相同或相似，不妨称之为直接前兆（序列），如果能在大地震之前观测和识别出来，对大地震的成功预测就有很大的把握，如海城7.3级地震，松潘7.2级地震和孟连7.3级地震成功预报，依据直接前兆是前震、地倾斜、地下水、水氡、水准、地磁和地电等。营口台地倾斜震前两天突变前兆异常、汤泉水氡突变异常和地下水位突变异常，唐山7.8级地震的宁河水准异常，昌黎水位、水温和水氡异常，马家沟地电阻率异常。2008年汶川8.0级特大地震之前的小震活动、地下水和水氡、地形变和地电阻率等异常，因而直接前兆成为亮点。2013年芦山7.0级地震之前的多处水准、基线异常等，都是直接前兆，四川省雅安地震队根据这些异常，震前3个月对芦山7.0级地震作了正确的短临预报，受到中国地震局的重奖。
（2）地震前兆的亮点鉴别
1. 地壳运动闭锁的鉴别
大地震的中长期预报是短临预报的基础，中长期预测的目标就是正确判定中长期地震危险区，很早以前利用地震空区判定地震危险区有一定的作用，因而成为一个亮点，但时间和地点具有很大的不确定性，而大地测量方法即GPS测量、精密水准测量和精密重力测量，具有更高的确定性，因而大地测量方法成为判定中长期地震危险区的主要方法，而地壳运动闭锁的判定取决于GPS地壳运动观测网络站点的密度、观测精度和观测数据资料的积累。目前GPS地壳水平运动观测的精度已达毫米量级，也就是说地壳水平运动位移场的精度达毫米量级、应变场的精度达到10-8量级，完全有能力反映地壳运动的微小变化，捕捉到地壳运动闭锁区。攻关的任务首先就是建立和完善对各地震带高精度、高密度和全面覆盖的观测网络工程（也包括水准测量、重力测量、GPS工程）。GPS网的密度为10—30km为宜，观测资料的积累十分重要，至少要有2年以上的观测资料积累才能看出一些地壳运动的趋势，只有足够长的时间的观测资料才能从地壳运动的过程中看出地壳运动闭锁区的形成过程，才能正确判定地壳运动闭锁区的性质。
2. 直接前震（序列）鉴别
直接前震（序列）是客观存在的前兆现象，因而成为地震预测的一个亮点。但在震前作出正确的判定，把它敲定敲死仍是一个科学难点。例如2002年1月3日至5日云南漾濞地震序列与1975年2月1日至4日海城地震序列的特征极为相似，据此，地震学科学家们预测此地大地震就要来临了，但形变专家持否定的意见，依据是此地监测表明断层活动正常，不存在断层闭锁区，结果大地震始终没有发生。因此地壳运动闭锁的正确判定，对于直接前震的判定是极为重要的，因为地壳运动闭锁是应力集中，应变积累的结果，如果在中、短期大地震危险性的地壳运动闭锁区内出现中、小地震活动，就基本上可确定为直接前震，主震就可以预报了。
因此直接前震序列的判定和鉴别就是确定高应变地震危险区即地壳应变强度达到临界极限状态的危险区，通常是闭锁区。2008年汶川特大地震前已经出现前震活动，但由于龙门山断裂被判定为15年尺度危险区，而非短期危险区，所以前震被否定了。
3. 直接前兆的鉴别
直接前兆是客观存在的现象，是大地震三要素的预测的亮点，但直接前兆的正确判定也是一个科学难点。直接前兆的判定方法与直接前震方法一样，必须首先找到地震危险区，即地震运动闭锁区，然后在该区内进行高密度高精密的前兆观测确定危险区的性质，排除干扰因素影响，提取直接前兆信息。1976年唐山大地震虽然有许多直接前兆，为什么还是漏报了呢？原因就是没有把唐山地区作为大地震中短期危险区，对发震断裂的闭锁没有发现和认识，因而把直接前兆否定了。2008年汶川特大地震也有直接前兆，为什么也漏报了呢？原因是把龙门山断裂判定为15年尺度的长期大地震危险区，而不是中短期危险区，因误判的结果而否定了直接前兆的存在。
（作者单位：中国地震局地震预测研究所）
