調整形變觀測思路探尋地震預報的新途徑①

范雷彪，任 忠

（內蒙古自治區地震局包頭市地震臺，內蒙古 包頭 014010）

0 引言

我國地震形變觀測工作經過幾十年的運行，積累出了許多寶貴經驗和一些新的理論觀點，但是我們目前還不能對地震前兆異常及各類信息做出準確判定，難以通過形變手段為地震預報做出肯定意見。我們認為造成這一結果的原因是現行的形變觀測思路出現偏差，沒能找準攻克目標，同時在實際觀測中獲取的觀測要素不足，得到的地下信息量有限，觀測數據受地表干擾因素較多，難以掌握大地活動的真實全貌。本文介紹筆者在多年從事形變觀測的實踐中對現行觀測方法的看法，并探索地形變觀測的新思路。

1 現行的形變觀測面臨的問題

（1）觀測思路存在偏差

運用形變觀測技術進行地震探索預報是在上世紀三十年代由大地測量技術借用過來的。科學家們依據地震前出現的各種形變現象，想通過捕捉形變量的大小、特征變化來判斷地震的發生［1］。起初科學家們想到借助固體潮的規律性變化去對應異常變化來預測地震，于是將固體潮觀測作為形變觀測的主要目標。經過幾十年的運行發現事實并非所預想那樣，逐漸意識這種固體潮觀測方法存在兩方面的不確定性：一是正常的形變規律不是在短時間內就可掌握到的，需要幾十年甚至更長時間［2］；二是一些基本規律的變化不一定就是地震活動引起的，其它很多因素都有可能引起此規律的改變。

（2）儀器布設結構存在弊端

現今的形變觀測方式是在過去的認知基礎上形成的，儀器布設的主要弊端是單分量的獨立觀測，觀測數據反應的均是各單一分量上的傾斜、應力應變量的一些變化，而不是整個形變的全貌客觀地反映。各儀器間以及同一儀器的不同分量間的觀測數據都不存在統一的協調關系，因此用各條獨立的觀測曲線不能描述出一個整體的形變面。其次形變儀器均安裝在地表位，使得觀測數據不可避免地要接受大量地表形變信息，沒有相應的技術手段對其提取分甄別，只能憑經驗判斷。

（3）臺站的整體布局結構缺乏統一性

形變臺站在地震預報中沒能發揮出理想的作用，除了有儀器本身的原因以外，還與臺站的布局結構有關。當初在臺站建造中有種普遍觀點認為形變臺站可以起到“以點控面”的效果，只要臺網密度足夠大就能達到地震預報的需求。因此只一味地追求臺網密度，沒有考慮到各臺站間的相互協同關系會對臺站的基本職能的發揮起到非常重要的作用。導致現有的絕大多數臺站處于一種孤立的位置，呈現出一種撒豆布點式狀態。各臺站間觀測資料無法建立起一套聯系體系，各自為戰，對一些前兆異常形不成一個統一性的解釋標準，使有限的臺站資源沒能充分利用好。

（4）缺少必要的觀測要素

地震活動是地殼塊體間相互作用的結果，地塊間的作用必然會體現為一種力的變化，而力的作用方向和作用點是描述一個力在作用過程中的基本要素。要想確定發震地點必須要考慮到力的作用方向和作用點，現行的形變觀測中恰恰缺少這兩項關鍵要素。目前我們還沒有一種專用儀器設備可以直接獲得地下作用力的方向和作用點，只能以應力應變量的變化來推斷出地下作用力的大體方向。該方法一是確定不出作用點；二是可靠性不強，因為在很多情況下，特別是在有地表形變干擾的時候分不出主應力還是分應力，對于作用點的確定更是缺少依據，只能憑地震地質學及測震學的經驗畫出一個大體區域。

正是由于以上幾方面的原因使得我們直到目前還沒能搞清什么樣的信息是能夠真實地反應出地震前兆特征，造成地形變觀測工作處于一種停滯不前的狀況。

2 新觀測方案及觀測儀器的作用

2.1 局域臺站組的建立

在選定出的某個特定區域內（根據地震活動性判定）布設三四個臺站），使各臺站的基準點位構成一個三角形關系（見圖1中T、U、V三個臺站）。在局域臺站組中找出三角形的中心點標為O點，確定出中心點的坐標方位。局域組臺址的選定需滿足兩項基本要求：每個臺站的間距應控制在一定范圍內，具體依據形變觀測范圍定（應考慮在80～150km之間）；臺站間的選址需考慮到相互間的高程差，其差值越小越好。組內臺站采用相同的觀測手段和同步觀測方式。

圖1 局域臺站組的構建Fig.1 Layout of station group.

2.2 伸縮儀的布設及功能作用

伸縮儀的新布設結構主要是為了捕獲到地下作用力方向而設定的。在每個臺站的基準點周圍布設上四套伸縮儀，固定端均設在基準點，分布在基準點東、南、西、北四個方向上（圖2）。

判斷作用力是來自地表還是地下，以及它的作用點位置在什么地方，可以通過以下方法確定。

圖2 基準點伸縮儀布設方案Fig.2 Layout of 4SSY equipments at one point.

假設有一個不明確的作用力G，該力作用到甲臺站的基準點后（設甲、乙、丙三臺站的基準點分別用U、V、T來表示），在基準點周圍的應力變化會分別在伸縮儀的四個傳感器探頭上得到相應的反映。如果有E、N兩個傳感器為壓應力（正值）；W、S方向為拉應力（負值），那么可以初步斷定該力是來自臺站NE方向。

在力的方向確定后再確定作用力的大?。簯肳、S向的一組數據（或E、N向的一組），讀取每日應力應變數據并計算其均值，以10天為一單元做累計平均值，用當前的2個數據與起始（年初）的2個日均值數據相減，各得到2個差值，用這2個差值在坐標系中做矢量圖。在矢量圖中作用力G的準確方向和應變量的大小變化（長度大?。┍恢苯訕顺觯▓D3）。同理也觀察該力在其它兩個臺站的應力變化。同樣對臺站在不同單元期內數據也做矢量圖，如果出現三臺站的應力方向能共同指向某一地區，可以證實該力是來自地下，匯交點就是其作用點；如果三臺站的應力應變沒有形成匯交，則說明各臺站的應力可能是來至地表的某些干擾，在臺站組確定的區域內不具有前兆異常特征。

下一步觀察應力大小變化：對三臺站在不同時期的矢量值做對比比較，做出時間－量值比較圖（便于區別甲、乙、丙三臺站各用不同顏色表示，見圖4）。從應力大小的變化情況看，如果出現匯交的應力值均有連續增大現象，達到一定程度后轉為持續穩定，對此可作出這樣的理解，此處的形變量正由逐漸遞減到停滯。這與巖石破碎實驗中的特征相似，屬地震前兆特征［3］，未來在該區域內發震的可能性極大。

2.3 水管儀的安裝布設及功能作用

水管儀的基本功能是反應兩點間相互傾斜變化情況，應用這一原理來監測三臺站間的相互傾斜變化，進而可描述出三臺站間的垂直變化情況。要求在三臺站間設定出一個參照體，同時三臺站要與參照體建立起統一體系，局域臺站組中水管儀的總體結構需布設成“三線匯交”形狀，它們的連線均指向中心點（圖5）。

圖3 應力矢量圖Fig.3 Sketch of stress vector.

圖4 時間－應變量值比較圖Fig.4 Diagram of time－deformation amount.

圖5 局域臺網中水管儀的布設Fig.5 Layout of DSQ in station group.

具體作法：先分別量測出三臺站的高程，在中心點O點處建立一垂直標線，由三臺站基準點向垂直標線各引一水平線，與垂直標線的交點分別為UO、VO、TO，三點間的距離分別表示三臺站及其與O點的高程差。調整好每個臺站的基準點與對應空間點的方位角，并量測出每個臺站的基準點至空間點的距離，既方位線長度。在儀器安裝中先在基準點處安放好缽體Ⅰ，然后沿方位線上再安放另一缽體Ⅱ，儀器需按水管儀的安裝要求，以垂直狀的姿態安放在這條方位線上［4］。

水管儀的這種安裝在數據處理上需要做時間調整，因為甲、乙、丙三臺站的位置距離不同，在觀測時間上會有一個相位差，因而在三臺站讀數時須選用同一時刻，這就要求三臺站須建立統一的時間體系，即O點觀測時間［5］。

由于O點和三臺站的基準點（U、V、T三點）都是在變化中的空間點，在觀測中可暫不考慮水平方向的變化情況（水平向的變化相對方為線的長度可忽略不記），只有過一段時間后再重新標測一下各點的位置，相當于做儀器的標定處理。

新結構中將水管儀的觀測方式定為三點同步觀測，一方面是得到三臺站間起伏變化情況，另一方面也能為伸縮儀的觀測結果起到輔助印證作用。

基本思路是觀測每個臺站的缽體Ⅱ水位對基準點缽體Ⅰ水位的變化，獲得三臺站的基準點相對于中心點O的起伏變化，并將各臺站的變化情況都集中反映到垂直標線上，通過判斷投影值的定量變化建立起三臺站間的相互起伏變化。

具體做法以甲臺站為例說明：第一步計算傾斜角度及投影值的大小。讀取每個整正點時缽體Ⅱ對缽體Ⅰ的變化情況，觀測傾斜變化值并通過格值計算出傾斜角度值；對24個整點值做均值計算；也以10天為一個監測單元得出一個10日均值，用當前均值與起始（年初）日均值相減（將起始值當作基準值），得到的差值就是U點的角度θ傾斜量，用tanθ乘以方位線距離就得到當前的U點在垂直標線上投影值HU（由于它們是相似三角形關系）。用每一時期的10日均值與起始值相減得出各個時期的角度值，做同樣的上述計算得出各個時期不同的投影值HU1、HU2……等（圖6）。同樣在乙、丙兩臺站也會算出HT、HV不同時期的值（假設O點是靜止的，既從O點的位置角度去看三臺站的傾斜變化）。

圖6 傾斜投影關系Fig.6 Tilt projection relationship.

第二步觀注投影值大小變化。在得到每個監測單元期內的投影值變化情況后，用后一個投影值減前一個值，如果結果為正說明臺站位置在下降；反之臺站位置在抬升，這樣依次相減會得出不同時期臺站基準點的垂直變化情況。由于三個臺站的投影值同時顯現在同一垂直線上，這樣就存在可參考性和對比性。對各個臺站的各個監測單元期的投影值做這兩方面的比較，觀察HU、HV、HT各值的正負以及增減量大小的變化，可以描述出局域臺站組內一個整體傾斜變化情況，在局域臺站組控制的三角形區域內，三角形的三個點的變化情況已經掌握，自然就能了解到整體面的變化。

從目前掌握的資料中總結出震前有應力逐漸增大到平衡靜止的過程，并且伴隨有形變隆起現象這已被定為前兆異常的顯著特征［4］。本文提出的這種觀測方案就是為找到這一特征而設定的。假如在觀測中出現了這樣的情況，在局域臺站組出現的形變中其被抬升的方向恰好指向伸縮儀測到的應力交匯區，而且越靠近交匯區的臺站其傾斜變化越明顯，這就進一步證實該處的異常特征的可靠性，因為此時水管儀和伸縮儀均探測到的是同一異常變化。

3 新方案的優勢討論

（1）應用新方案能夠解決兩大難題

在現行的形變觀測中一直伴隨著兩個難題，一是要判定出觀測到的形變量是來自地下還是局部的地表形變干擾；其次是要確定出什么樣的大地形變中才有孕有地震的可能性。用現行的形變方法對這兩個難題給出判定是一件非常困難事情，因為在孕震過程必伴有形變這已被大量實際觀測事實和實驗所證實，反之各種形變過程未必就會有地震發生，這又是一個普遍現象［3］。地震前出現的形變活動是在一個大的區域場內進行的，其與地塊間的相互持續、緩慢作用過程相一致，我們應該依據這一特征做為判別地表形變和地下形變的一項標準。如果在觀測中得到的形變現象能符合上述特征，就可以做出第一步斷定這屬于大地形變活動應當給予重視。而要找到這一形變特征，就必須在一個較大的區域內構建起一個統一觀測體系，要在各觀測臺站間構建起一個參照體。這樣才能對各臺站的形變變化情況給出一個判斷依據，找到上述特征。

關于孕震問題的判斷，既然在復雜的形變現象中判定不清何為前兆異常，就應放棄現行的以記錄曲線漂移量為異常判斷的依據，轉而從作用力的角度去思考、探尋。因為我們已總結出在發震前會有應力變化從逐漸遞增到逐步放緩至到平衡靜止這樣的特征，將此特征作為孕震特性的一項標準，在找到地下作用力方向的同時，通過掌握應力大小的變化就會捕捉一些能夠體現孕震時特有規律和表現。

（2）新方案更切合實際

地震的形成是由地塊間相互的作用力造成的，在整個形成過程中始終體現著力的變化。如能確切地找到作用力的三要素，就意味著能確定出發震的兩個要素即地點、時間。從力的作用點去聯系地震的發震點；從作用力的大小變化去聯系地震的發震時間。依據這一思路在未來的觀測實踐中結合地震地質與測震學的一些經驗是很容易確定出地點和時間這兩個要素。此外地震預報的三要素中需要優先考慮就是地點問題，而從力的角度去探尋板塊間的作用點是完全能夠做到也容易實現。

（3）可勾畫出大地形變中“面”的變化情況

現行的觀測方式得到的只是某一方向上的單分量的變化情況，無法勾畫出一個整體形變面的變化特征。采用這種利用參照點進行定點觀測方式得到的是“面結構”變化，從而實現了形變觀測由“線”到“面”的升級，其作用是將現行的用單分量曲線特征作為異常判定標準改為以一個形變面的變化作為異常的判定標準。

（4）觀測結果直觀便于早發現異常并預測出未來的震中位置

采用新方案后，觀測人員只要隨時關注伸縮儀、水管儀捕捉到的異常特征（應力走向及傾斜的變化情況），并結合以其它臺站的資料就可以給出肯定性預測意見，能直觀地預測出未來震中位置。此外，它通過三力匯交方法找出地下作用力的作用方向以及作用點是現行形變觀測方法無法做到的。

（5）能為確定地震震級提供一種新的思路

在對伸縮儀的應力分析中，通過做時間－量值比較圖，關注每次地震的震級與應力平衡期持續時間的對應關系。如能積累到足夠地震實例，就能總結出多大的震級一般會有多長的持續時間，作為推斷未來地震震級的依據。

4 結束語

地震預報現仍處在探討、摸索階段，受技術條件的制約暫時還無法做到直接探測地下深層面變化，但我們可以通過一些已知的現象去作推理、判斷。本文也是遵循著這一原則斗膽提出了新設想方案。由于筆者的理論水平低對其合理性、可行性的認識存在有一定的局限性，現將本文呈現，想得到有關專家的指導、點評。

二十多年前當筆者剛開始接觸地震工作時見到師傅們用手工點繪的各類圖件來做分析預報意見感到神奇、深奧。可是二十多年過去了，今天我們的形變臺站還是停留在原有的認知水平內，仍然想用記錄曲線的某些特征變化（正漂、負漂、畸變）來解釋說明形變現象。大量的事實說明這種做法起到的收效甚微，這也使得許多同仁對用形變技術預報地震產生了不同程度的質疑。其實根據形變現象進行地震預報的大思路本身沒錯，只是目前的具體執行措施方面出了點偏差，只要我們堅持積極的探索、改進最終會為形變觀測闖出一片新天地。

［1］［日］力武常次，著.馮銳，周新華，譯.地震預報［M］.北京：地震出版社，1978：22－27.

［2］國家地震局科技監測司.地震形變觀測技術［M］.北京：地震出版社，1995：40.

［3］國家地震局預測預防司.地殼形變分析預報方法［M］.北京：地震出版社，1998：22－23.

［4］中國地震局監測預報司.地殼形變數字觀測技術［M］.北京：地震出版社，2003：23.

［5］繆啟龍.地球科學概論［M］.北京：氣象出版社，2000：20－21.