王赤军 王宝珍

(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所 河北廊坊 065000)

地震是大自然中的一种地质现象,是对人类危害极大的一种地质灾害。1976年的唐山大地震和2008年四川汶川大地震给国人带来了极大的伤痛。然而让国人无法接受的是某些专家不知是什么原因,在央视访谈节目中渲染地震不可知论。虽然我们无法不让地震发生,但应该可以认识它,了解它会在何时何地发生,有多大破坏力,可进行有针对性的防灾,减灾。尽管地震的发生过程非常复杂,有很多我们尚未了解的领域需要去认识它、研究它,当然要想短期内完全搞清楚也是不可能的,了解、认识尚须时日,事实上我国有准确地震预报的范例,尽管他被所谓的专家称为不屑一顾的低水平,应该说这些能准确预报的低水平比那些一点动静都没有的高水平要好得多,他们好歹在地震前能弄出很大动静来,而那些“高水平”的专家在地震前却一点动静都没有。

关于地震发生的过程可能有很多不同的见解,地震发生的表象是突发性的,但实际形成是一个长期的、缓变的过程,它应该有一个较长时间的孕震过程。地下应力的能量积累过程既是长期的,也是非常复杂的,如果能在这个过程中就能开始认识它,无疑对人类的减灾会有极大的益处,因为它将给予人类更多的减灾躲避时间。在这个过程中地下一切变化都应该有表现为物理参量变化的信息,无奈的是我们没有完全认识它。难于抓住这些信息的原因是多种多样的,首先是难于确定是什么样的变化,无从下手;其次是没有足够灵敏度的测试仪器来检测它;再则就当前的检测仪器的水平即使已经知道是什么样的信号也无法在浩瀚的噪声中分辩出需要的信号,难于下手。在地震科学研究中,前人为了抓住这些信息做了大量有益的探索,发现孕震过程中有压磁效应、感应磁效应、电动磁效应等,这是非常重要的,但无奈的是以前没有更高精度的测量仪器来测磁场信号,所以无法获取预想到的信号,更无法进行更为深入的研究,尽管如此这些学者在有限的条件下仍做了大量的验证实验以证明这些效应的存在,目的是试图在可能的条件下能准确地分离出地震前兆参量,并以此进行准确的地震预报。

地震预报是一个非常复杂的系统工程,既不能漏报,也不能虚报,虚报和漏报都会造成直接经济损失,漏报的损失将更为惨重。预报的准确的关键在于能否有效地识别在孕震过程中出现的真正的特征量,抓住对特征量的研究,才有望在进行地震短临预报上取得实质性的突破!尽管这很困难,是一个世界性的难题,但决不能成为推卸责任的理由。

实际上,我国国家地震局有不少学者对此都有较深入的研究。但目前地震局的地磁台站、实验室的磁测仪器中,目前最精密的是核旋磁力仪及光泵磁力仪,尽管光泵磁力仪的磁场灵敏度可达0.01n T(10-11T),但是它们只能观测磁场的幅度大小,无法观测其他一些磁场信号相关的重要的物理量,而且磁场灵敏度也还嫌不够,再者有些验证实验还有一些不尽人意的地方,极有深入一步研究的必要。譬如说,在压磁效应的验证试验中了解到,当对某种岩石施压时会产生压磁效应,但需要进一步确定的是岩石加压就有磁效应还是岩石裂了后才有磁效应?观察到一系列在地震发生时所特有的物理现象(如会产生与发生地震类似的电场信号、声发射等,见后图),从而验证了压磁效应的存在,如果是后者称其为压磁效应就不贴切了叫压裂磁效应更为贴切些,问题的关键在于这并不是一个物理现象的命名这么简单,而是隐匿着极大的研究空间,提示我们进行基础理论科学研究。据此实验者认为这个观测到的磁信号是一个超低频的磁场信号。应该说这是一个非常好的、非常成功的一个试验,此实验所获得的结果如下图所示本实验是国家地震局地球物理所郝锦琪研究员所做,下面曲线也是她提供的。由此可想到的是对此还应有更深入的研究,进一步探明此效应的产生机理及充分必要条件,例如:①产生压磁效应及其磁信号频率与介质有无关系?②是不是对所有类型的岩石施压时都会产生压磁效应?③产生的频率高低与介质的物质结构有关还是与介质的形状大小有关?④这个效应是压磁效应还是压裂磁效应?

图1 花岗闪长岩主破裂前后11道参量变化图

地震前兆特征量究竟应该是什么?是否有唯一性及上面提出的四个问题?弄清楚这些问题是至关重要的,譬如说,只获得磁场信号幅度的异常能作为判定发生地震唯一的特征量是大有疑问的?因为我们目前对无特征叠加在一起的磁场信号是无法区分这些信号中哪些是地震前兆产生的特征量,哪些是干扰量。我们能否借助于现代科学的探测仪器发现这个变化的特征量呢?这是我们需要研究的课题。以前在测量地磁场时,大多关心的是其幅度的大小,这实际上只是信号的一部分——它只是信号的功率谱,伴随幅度量同时出现的信号频率、相位、矢量特征和频率特征等参量因为没测到而没被利用。震前信号的幅度异常可能是地震的前兆信号,但问题在于如何证明得到的地磁信号就一定是地震的前兆信号,而不是其它干扰噪声。区分它是非常困难的事,因为磁场源非常多,有宇宙空间的、地球内的、人文的等等,所以单凭磁信号的幅度异常不能当作地震的前兆的唯一性特征,不能作为确定地震前兆的唯一特征量,现在有些研究人员将震前地磁场的某些信号的特殊形态认为就是地震的前兆,实际上这是一个非常不充分的证据,还需要其它相关量来加以佐证,因为无法证明这是一个普遍规律,极有可能是一个特定条件下的个案,没有普遍意义。如果把信号的频率、相位、矢量特征等参量同时加以利用,或许就有可能组成识别地震前兆的特征量。但用核旋磁力仪及光泵磁力仪等来抓住全部特征量是有困难的,因为不管是核旋磁力仪还是光泵磁力仪所测得的是磁场信号的标量,并不能反映信号真实的完整的状态。在孕震过程中,只有当应力大到一定程度时,才会使地下岩体破裂。不难理解的是,当应力产生的能量积累时,其能量会从最薄弱的地方释放。因此在大震前应伴有小震发生。小震对人类生活没有太大影响,但小震同样会给出地震特征信息,只要能抓住发生对人类危害不大的小震发出的信息,就有可能得到大震的前兆信息,有可能预报大的有感地震。当然,地震预报远非那么简单。高温SQU ID磁强计的传感器SQU ID是一个非常灵敏的弱磁测量传感器,能分辨极微小的磁场幅值变化,和磁场的相位变化、频谱变化,与频谱仪配合可测量磁场变化的功率谱和频率谱。其中SQU ID磁强计是获取原始信号的仪器,频谱仪则对获取的信号进行谱分析。有了这两个谱的资料,就有可能更全面分析信号的特征,就有捕获地震前兆特征量的可能。更重要的是它可对地磁场进行三分量监测,利用信号的矢量特征可以追溯找到产生该磁场的场源所在,极有可能会有益于地震预报,起码能给地震预报带来更多的有用信息、取得更大的研究空间。这也是我们需要对此深入研究的重要理由之一。弄清本文提出的四个问题极有可能使判定发生地震的特征量浮出水面。如果发生压磁效应产生的磁信号频率与介质有关,那么必须研究什么样的介质发生什么样的频率,这样当对地面以下的地层结构了解后,一旦监测到与地下结构介质有关的特征频率就可判断出在该地区有可能发生地震,这就抓住了发生地震的真正的特征量。但首先还必须弄清楚产生的频率高低与介质的物质结构有关还是与介质的形状大小有关,如与介质的形状大小无关则此特征量具唯一性,如与介质的形状大小有关则还须进一步深入研究,问题会变得复杂得多。

综上所述高温超导技术是可以在震前监测地磁场的变化有所作为的,高温超导技术若能在地震预报中得到应用,第一可使这项高科技成果转化为真正的生产力,第二我们可期望用此新的技术平台将地震预报推上一个新的台阶而造福于人类。

这个新的技术平台能给我们带来的好处还不止这些,如果地震的起因真是由于地壳板块运动所致,那么就有可能在全球范围内设立监测点监测地磁场变化情况,就有可能在地震之前更多的时间提前预测到地震即将发生,这对减灾、防灾显然是非常有利的。