日月引力對地震的觸發作用與激光監測探討

張峰

摘 ? 要：地震是累積應力快速釋放的過程;本文通過對地球自轉、公轉、太陽、月球等星體對地位置周期變動，引起的對地萬有引力、慣性力的周期變化分析，指出日地、月地引力，地球自轉速度變化、大西洋中脊擴張是造成地球板塊邊沿或內部產生錯動、破裂的直接因素;可以通過激光、光電、地電等技術手段對地震前發生的預滑、震顫等信息進行監測，獲得地震前兆彈性應力波的產生方位﹑距離、強度、周期等信息，從而確定地震可能發生的地理區域，實現地震震前預測以減少地震引發的各種災害。

關鍵詞：地震前兆 ?激光測距 ?板塊運動 ?彈性應力波 ?引力異常

中圖分類號：P315 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（a）-0038-05

Abstract： Earthquake is a process of rapid release of cumulative stress; The Mid-Atlantic ridge continues to expand， squeezeing the other plates of the crust on both sides to smoothly into the Pacific plate， while the Earth's rotation， revolution， and the position of the sun， the moon change to the ground， causing the gravitational force changes to the ground， directly cause the deformation between the crust rock layers， and the displacement and rupture occur at the edge or inside of the crustal plate， and the release of huge energy in a short time causes earthquakes;Snail-shift， tremor and other phenomena exist before the earthquake，bringing the elastic deformation pressure wave release process of the crustal plate fault transitions from steady state to unstable state. The elastic stress wave propagates around the crustal lithosphere medium . Localized rock crustal deformation caused by the elastic stress wave， in a certain intensity can be monitored by real-time monitoring of laser， photoelectric， geoelectric and other technical monitoring methods setting up in the deformation region of the crust bedrock ; Through monitoring data of different region， Networking analysis can calculate the azimuth， distance， intensity and other information of the elastic stress wave， so help us to determine the geographical area where the earthquake will occur， and carry out special monitoring of other earthquake precursor anomaly information in the area to determine whether to issue earthquake early warning information to reduce the earthquake-induced disasters in all aspects.

Key Words： Causes of the earthquake; Earthquake precursor; Laser Ranging; Tectonic plate motion; Elastic stress wave; Gravitation anomaly

地震是一種嚴重自然災害，全世界每年要發生12000次2級以上的地震，絕大多數太小或太遠，以至于人們感覺不到，其中6.5級以上的大地震100次左右。地震預報目前仍然是世界難題，1976年7月28日的唐山地震及2008年5月12日的汶川地震都未能獲得提前預測。

現有的旱震﹑磁暴﹑可公度法等理論都很難在臨震前期做出地震三要素短期準確預報，地震的成因到現在還不是很明朗。本文從太陽﹑月球對地球地殼板塊運動的萬有引力作用方面作了部分分析，認為太陽﹑月球在地球自轉下對地球地殼板塊的周期引力作用是加速各板塊巖石圈相互擠壓、巖石斷裂發生地震的最直接觸發來源，大西洋中脊擴張是板塊擠壓運動引起地殼彈性形變的長期動力，結合部分已發生的地震實例與已有報道的引力異常數據等得出地衛激光測距、地殼基巖實時激光光電數據監測等可獲得地殼形變、地震前兆等有效信息，從而實現對地震的預測預報。

汶川地震有關周邊地區地殼隆起抬高的材料，報道一：恩施市白果鄉觀音塘約8萬m3蓄水突然消失。2008年4月26號早上7點多鐘，塘里突然傳來轟鳴聲，不到5h，一池碧水全部不見了[1]。直徑近百米，深數十米的池塘現了底，水全部消失。村民表示，1959年出現大干旱時，許多樹木都干枯死亡，池塘里的水都沒干，沒折。”據《白果鄉志》記載，這種現象自解放以來出現過3次，時間分別是在1949年、1976年和1989年。這個池塘的四次干涸，分別發生了1950年雅魯藏布江大地震，8.5級;1976年松潘（離汶川很近），兩次7.2級大地震;1989年小金（也緊挨著汶川）6.3級強地震;本次8.0級大地震。報道二，恩施白果鄉村觀音塘又開始漲水，5月14日，記者接到恩施市白果鄉村民報料，稱前段時間因不明原因消水的觀音塘（本報曾報道），現在又開始漲水了。記者現場看到，原來已干涸的觀音塘，現在的確蓄了不少水，水面距地面僅相差2m左右。附近村民向興紅介紹，觀音塘是從5月12日下午開始蓄水的[2]。恩施市白果鄉處于汶川正東偏南，距離汶川直線距離560km，觀音塘大旱不干，說明塘底連有地下河，汶川地震前水漏走，地震后連通的地下河水又開始回流，說明5.12汶川地震前該區域地殼巖石層已經變形上拱數10m，對汶川斷層帶形成強擠壓后應力一直未得到有效釋放，在5月12日初八日，太陽﹑月球引力引起的地殼形變累積達到巖層斷裂臨界點以至處于汶川斷層沿線的巖石板塊斷裂，從而亞洲板塊、太平洋板塊與歐亞板塊、印度洋板塊獲得的進動空間得到釋放，恩施市所屬的這部分地殼巖石層又回落至原高度附近，觀音塘池塘才又獲得連通的地下河水回流。

日本311地震的發生過程與汶川地震近似，發生時間2011年3月11日下午2時46分（日本時間），農歷二月初七，9.0級。311地震發生時太陽運行至東亞板塊正上方，對地震斷層帶西部的歐亞板塊﹑印度洋板塊形成方向向東的牽引力，對斷層帶東部的太平洋板塊形成方向向西的牽引，中午時分后月球對太平洋板塊的牽引作用力由向東轉為向西，月球對太平洋板塊的垂直引力升力作用引起地殼上升形變增大了另一側太陽引力力矩，在太陽引力牽引作用下斷層帶兩側太平洋板塊﹑歐亞板塊俯沖擠壓，板塊局部強受力引起的形變強度超過板塊承受力，發生板塊斷裂，從而引發地震海嘯。

2.2 淺源地震中張力拉伸型地震分析

張力拉伸型地震板塊4﹑板塊5﹑板塊6如圖3示，板塊6一邊支撐在板塊5邊沿上，另一邊抵在板塊4斷層帶上，板塊6為以往地殼斷裂引起單端上升的斷層地塊，下部為空層區，無有效支撐。板塊6受地心引力變形逐漸彎曲下沉，同時板塊4﹑板塊5在太陽﹑月球周期引力作用下的板塊垂直方向的運動隆起降落﹑水平方向運動張張合合，板塊6受力較大位置受微動疲勞影響巖石剛度緩慢下降，下垂破裂。板塊6受板塊5支撐的一端在長期微動或受其他地震巖層移位影響的情況下逐漸滑入板塊5斷層內板塊6下面的空區，這個階段如果遇板塊4﹑板塊5受比較大的分離張力，支撐板塊6的板塊5邊沿上的支點破碎快速下滑，則板塊6將直接掉入下部的空區，從而引發塌陷型地震。

以唐山地震為例，發生時間1976年7月28日3時42分53.8秒，農歷七月初二，屬于典型的張力塌陷型地震，唐山地震前的河北邢臺地震與渤海灣地震、遼寧海城地震形成了板塊進動空間，給唐山塌陷型地震的觸發提供了必要的地殼斷層空隙空間條件。唐山地震為塌陷型地震的證據：邱澤華等曾經注意到唐山地震造成了大規模的地面塌陷，最新的研究揭示了這種塌陷與一條近百公里長的斷層活動有直接聯系，需要說明的是， 這些大規模的塌陷區不是煤礦采空區塌陷的結果，唐山地區的煤礦都分布在震區的北部一帶， 而這些大規模的塌陷區位于遠離煤礦的南部地區[3]。

2004印尼蘇門答臘9級地震，地震發生時間農歷十五，2004年南亞地震（一般簡稱印度洋海嘯或南亞海嘯）發生于2004年12月26日星期二時間0時58分55秒（雅加達，曼谷當地時間為星期日），泰國《民族報》2005年1月1日報道說，海嘯26日席卷泰國南部之時，南素林島上一個漁村的181名村民早已逃到了高山上的一座廟中，從而躲過了一場劫難。“長輩們告訴我們，如果（海）水退去的速度很快，那么它再次出現時的數量會和消失時一樣多。”65歲的村長薩爾貿·卡薩雷說，他們知道許多世代流傳下來的傳說。從以上報道海水先消退后出現海嘯，也可以初步判斷印尼蘇門答臘9級地震很大程度上可能為張力拉伸斷裂塌陷型地震。

3 ?地殼形變可監測的地質基礎

3.1 地殼巖石圈的物質分層

按現在的地質學劃分，地殼被分成六大板塊，地殼巖石圈以下是軟流層，各板塊可以看作是“漂浮”在軟流圈上的，在地心引力與地球自轉慣性作用下隨地球運動。地殼分為上下兩層，上層化學成分以氧、硅、鋁為主，平均化學組成與花崗巖相似，稱為花崗巖層，亦有人稱之為“硅鋁層”，下層富含硅和鎂，平均化學組成與玄武巖相似，稱為玄武巖層，有人稱之為“硅鎂層”，軟流層以上的地幔是巖石圈的組成部分，地幔上部的巖石部分鎂含量極高，所以稱為硅鎂層;莫霍面存在于地殼與上地幔之間。

地動信號及微斷裂信號以彈性應力波形式在地殼巖石層中向四周擴散傳播，因地殼巖石圈上下層及地幔上部﹑莫霍面等所含物質成分不同，這就使得彈性應力波在不同地層物質中傳播速度發生了變化，有快有慢，通過現有科技手段對這種微斷裂信號的彈性應力波進行監測分析計算也就可以得出彈性應力波的發生方位﹑距離信息，從而確定可能發生地震的具體區域，對該區域進行震前重點監測與預報。

3.2 地震發生力學過程的可觀測性

21世紀初觀測到地震前存在預滑﹑震顫﹑以及前驅波等現象，地震前地殼巖石圈變形應力過程存在穩態﹑亞穩態﹑亞失穩態﹑失穩態4種狀態[4];在穩態階段，斷層處于彈性變形階段，只要外力撤除，變形立即恢復;在亞穩態階段，斷層處于偏離線性階段，外力撤除，一部分應變立即恢復，另一部分以緩慢方式逐步恢復，而局部損傷區無法恢復;進入亞失穩階段，斷層已經處于以釋放為主的變形階段，外載的變量已不足以彌補斷層的應力釋放水平，斷層由準靜態釋放轉變為不可逆轉的準動態釋放，最終失穩，地震不可避免的發生。經過多年努力，馬瑾團隊在實驗室巖石壓裂實驗中，根據傳感器接收到的信號終于能夠“提前一秒鐘實現巖樣破裂失穩的預報”。地殼的變動比實驗室巖石受力變化較為緩慢，穩態范圍內的地殼形變變動不會發生地震，進入亞失穩階段后地震發生已不可避免。地殼巖石斷裂由亞穩態轉為亞失穩態再轉為失穩態需要經歷一個時間間隔，這個時間間隔與地殼板塊形變的受力狀況直接相關，而地殼板塊受到的作用力周期又與太陽﹑月球周期運動給予的引力作用力強相關。這也就意味著我們可以通過現有科技手段對地殼巖石斷裂由亞穩態轉為失穩態這一過程發出的地層信號進行監測，從而提前幾天或幾個小時對即將發生的地震進行預警預報。

4 ?用于地殼形變變動的激光光電監測方法

4.1 地衛激光測距

光束發散角0.5mrad，脈寬百皮秒量級，輸出能量數十毫焦的重頻脈沖激光器已可批量生產，通過激光擴束壓縮技術激光束的發散角可以控制在0.1mrad以內，通過同軸大孔徑觀瞄接收系統現在已經可以方便的實現對數千公里高度的衛星進行激光精確測距，配合高精度的數字計時電路可實現的測距精度在厘米量級，這對于地殼形變的測量精度要求已經足夠。美國在1976年5月與1992年10月發射了兩顆Lageos地球動力學衛星，軌道高度5960km，每顆衛星裝載426個角錐反射器，利用角錐棱鏡對光束的同向全反特性用以反射由地球上不同站臺發射的激光束。

地衛激光測距中，激光需往返經過大氣層后才能返回接收器，激光路經的大氣受氣候﹑重力等影響其折射率大于1，從而使測距精度受到大氣引起的光路彎曲﹑時間延遲等影響，數值通常在米級以上，通過雙波長激光或多波長激光測距回波時差的數據處理可以對大氣色散引起的測距數值誤差進行校正。

因衛星運行軌道會受到地球地殼形變及地球內部運動引起的微重力變化的影響，單個地面激光站點對衛星測距獲得地面形變的測算數據并不準確，衛星軌道會隨所受地表重力的變化而微變動。為精確測量地殼的運行與變化需要同時進行地面上多個不同板塊上不同激光站點對衛星的測距數據，因衛星相對地面的絕對位置在快速變化，這時就得根據衛星相對地面的運行速度來計算多個激光站點對衛測距的光束同步到達衛星的時間精度，假如衛星對地繞行速度為10km/s，那么對于厘米量級的測距精度要求則激光光束同時到達衛星需達到us的時間同步精度，這就對地面激光發射點的同步工作提出了嚴格要求。要解決這個難點，就得把負責測距反射的衛星發射到約3.6萬km高度的地球同步軌道，或者通過地殼斷層區域高空懸停反射裝置進行斷裂帶兩側的多點地形測距，這又給激光測距的激光光電設備設計精度及高空反射工作裝置提出了更高的要求。

4.2 地殼彈性應力波的激光干涉測量

利用激光干涉儀可以較容易的實現λ/100波長精度的縱向尺寸變化測量，東京理工學院通過對一臺50m改進型邁克耳遜干涉儀干涉條紋的漲落分析發現存在以一天為周期的振動，峰—峰振幅為幾個μm[5]，數據表明以24h為周期的日月運動對地球地殼巖石圈形變的影響可以通過改進的激光干涉儀測定出來，而作為地震前兆的巖石層微斷裂引起的地殼形變信號的測量可能更為明顯。因彈性應力波在地層不同介質中傳播速度的差異，監測站點距離震中距離L可由下面的公式計算

L=V1×t1;L=V2×t2;

V1﹑V2為彈性應力波在不同地層介質中的傳播速度， t1﹑t2為彈性應力波到達監測站點的時間，我們在同一站點可以監測到的只有t1﹑t2兩者之間的時差，

通過測量（t2-t1）的時間間隔值加上對已有的發生地震震中L的測算，便可得出各個不同震點相對監測站點的數值，從而為以后地震的監測作出計算。震中位置的測量也可由位于兩個不同區域的激光干涉儀監測布點測到的應力波傳播方向交點得出，每個干涉儀監測點可通過兩垂直方向的應力波測量，得出彈性應力波的來源方向，按理論兩個監測點探測到的彈性應力波方位交點應該就是巖石層亞穩態到失穩態預斷裂應力波生成點，即可能發生地震的震中位置。

通過對監測到的彈性應力波強度﹑持續時間的數據積分，同時計入發震距離等參數的綜合分析，可以得出地震震級強度信息，由探測到的彈性應力波發生時間加上日月對地引力變動周期等確定可能的地震發生時間，從而得出地震發生的時間﹑地點﹑震級三要素。

4.3 地殼彈性應力波的地電測量

因地電測量受埋線位置﹑降水﹑季節﹑其他電磁信號干擾等的影響，所測前兆數據具有不穩定性﹑規律不明顯等特點。多地地震前的基巖地電監測數據表明不論是擠壓型地震還是張力拉伸型地震，在地震前的數小時地電監測地電阻率數據大都是急劇下降的，這表明在實驗室模擬下的巖石的拉伸或擠壓對巖石形變本身的電阻率數據影響在實際監測中起到的作用不大。而激光監測手段受外界影響小，尤其在地殼突變的反饋方面更為準確，因此地電監測方法對地震的預測研究需結合激光監測的各項數據做比對分析，以獲取更準確的預測數據。

5 ?引力異常現象對日月引力引起地殼非線性形變的支持

1954年，法國經濟學家和物理學家莫里斯·阿萊發現，當巴黎出現日食時，正在擺動的鐘擺出現無規律的晃動。由于地心引力以及地球自轉，錘擺會來回擺動。在開始發生日食時，錘擺的擺動方向發生劇烈變化。1995年10月印度科學家米什拉和拉奧利用重力儀在多拉吉對日全食進行了觀測，發現在食甚前后約一個小時內重力加速度有12微伽的變化，發現重力谷現象。1997年3月中科院地質與地球物理研究所的湯克云、武傳真等科學家，利用重力儀對發生在漠河的日全食進行了觀測，發現了“雙重力谷”現象。科學家共在大約20次全日食過程中對引力起伏波動進行了測量。

這些日全食時測得的重力變化都未考慮因地面高度的形變引起的變化，有些觀點認為地面幾十厘米或米量級的升降變化會立即引發地震，但參考恩施市白果鄉觀音塘汶川地震前地面高度數十米的變化并未超出當地地殼巖石斷裂承受范圍，因此日全食時地面高度局部形變不足以引發地震。當然上述測量到的引力異常是否確因地面高度變化引起還需通過日全食時多點地衛激光同步測距數據分析結果確認。

6 ?結語

地震預報研究是一個大系統工程，需要多學科、多部門集思廣益，多路探索，本文從太陽﹑月球對地引力的變化﹑大西洋中脊擴張等方面分析了對地殼板塊運動的影響，指出通過激光測距﹑激光干涉測量等手段可以實現對地殼的大范圍形變﹑預滑微斷裂等多參數進行監測，通過單監測點可以獲得基巖形變方位﹑強度與彈性應力波在不同地層介質中的傳播延時信息，通過兩個以上監測點的數據分析可以明確地殼巖石微斷裂區域的地理位置，從而為地震預報做充足準備。

參考文獻

[1] 周勝，蒲元慶.池塘內萬噸碧水無故自消[N].恩施晚報，2008-05-02.

[2] 陳千恩，楊邦文.恩施白果鄉村觀音塘又開始漲水[N].恩施新聞網，2008-05-15.

[3] 邱澤華，馬瑾，劉國璽.新發現的唐山地震大斷層[J].地震地質，2005，27（4）：669-677.

[4] 馬瑾.從“是否存在有助于預報的地震先兆”說起[J].科學通報，2016（61）：409-414.

[5] ToshikaruTako， Kenic hiAsakawa， Chen Weishing等.用激光干涉儀測量地球的振動和應變[J].中國激光，1983（Z1）：234.