“亚失稳”——地震预报新思路

    【灼见】  

    时至今日，地震预测依然是一个久攻难克的课题。地震预测难的原因之一是没能找到与地震发生有唯一性关系的先兆。中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室亚失稳研究团队取得的关于亚失稳应力状态的研究成果，为地震预报研究开启了一个新方向。

    地震是以突发形式表现的构造变形，它发生前有一个由慢变快的物理过程，应该是有先兆的。究竟什么样的先兆与地震发生有唯一性关系？事实上，之前的科学家研究了许多地震案例，发现地震前在物理、化学或生物等方面会出现一些异常现象，诸如应变率、地下水、温度、土壤和空气中氡浓度、近地表及其上方的电磁、动物行为、地震活动性图像等的变化。然而，由于对这些现象发生的机理研究不够，它们与地震之间是否有确凿关系缺乏说服力。

    我们认为，预测预报地震关键在于抓住地震前亚失稳阶段应力状态的特点。地震是一个累积应力快速释放的力学过程，断层上越来越多部位的应力相继释放，应力逐步转移到局部的高应力闭锁部位，进而达到断层动态失稳的条件。亚失稳阶段处于应力峰值到失稳时刻之间，是应力由积累为主，转变为释放为主的关键阶段，也是由稳态变形向失稳变形的转变阶段。在此阶段，断层已进入不可逆变形，标志着地震发生已不可避免，因此它与地震发生有更密切的关系。我们实验室研究发现，当把研究重点由峰值强度前的应力积累阶段转向峰值后的应力释放阶段，把握应力释放的关键时刻，就可以在实验室成功预测断层失稳的发生。

    问题在于，在野外很难确定断层所处应力状态，也无法识别亚失稳阶段。为了寻找亚失稳阶段的特征，亚失稳研究团队借助实验室既能观测应力状态的演化，又能同步观测多种物理场时空演化的有利条件，针对亚失稳阶段，从位移场、应变场、声发射、热场等方面开展研究。他们用协同化来描述断层失稳过程，而不同物理量以不同的形式表达出断层加速协同化是亚失稳阶段的标志。

    例如，应变释放过程包括三个阶段：释放点产生和扩展、新的释放点的增加以及释放段的加速联结。前两个阶段的速度变化只是平稳增加，而第三阶段扩展速度是按数量级增加的。应变加速扩展和连接阶段就是由准静态向准动态释放转变的时刻开始。假如能够找到这个时刻，就知道失稳非发生不可了。

    又如，从断层带升温过程中也可以看到断层加速协同化过程。有两种引起温度变化的机制：其一是众所周知的摩擦升温，其二是体积应变引起的温度变化，即“挤压升温，拉张降温”规律。亚失稳阶段恰巧是两种温度变化并存和转化的阶段。在此阶段，断层预滑逐步增大，断层两侧块体的应力开始松弛。因此，断层由于摩擦引起升温，而断层两侧块体由于应变释放引起降温。亚失稳后期二者温差加大，清晰可见。

    实验研究为野外识别亚失稳阶段打下基础，初步研究结果显示断层上的地震活动也存在加速协同化现象。

    地震先兆是有的，问题在于能否被观测、记录到？即使观测到了，又是否能被准确识别？已有的研究是在实验室简化条件下进行的，很多因素尚未充分研究；而野外地质构造复杂、加载条件多样、台站稀少，要达到实验室观测水平尚需时日，亚失稳研究从实验室走向野外尚需经过持续的努力。

    （作者系中国科学院院士。本文据中国科学技术协会第111期新观点新学说学术沙龙整理，内容有删节。）