基于青藏高原地殼不穩(wěn)定因素下的引力波地震預(yù)測可行性研究

張文海 吳華 孟盼望 陶偉 曹亮

摘 ?要：在青藏高原地震是主要破壞性的地質(zhì)災(zāi)害之一，在目前國際社會(huì)預(yù)測地震的方式主要是利用地震產(chǎn)生的縱橫波速差來預(yù)測地震，通過闡述人類首次探測到引力波實(shí)驗(yàn)原理依據(jù)、引力波的產(chǎn)生及其性質(zhì)、地震的形成機(jī)制，分析衛(wèi)星遙感預(yù)測地震的可行性。結(jié)果表明地震形成至發(fā)生的前夕，大質(zhì)量物體碰撞或可產(chǎn)生引力波，以波的形成在空間傳播引起空間折疊震蕩，通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測或可監(jiān)測到大面積的空間折疊影像，從而起到預(yù)測地震的作用。

關(guān)鍵詞：青藏高原;地質(zhì)災(zāi)害;引力波;空間折疊

中圖分類號：O314 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）24-0068-03

Abstract： Earthquake is one of the main destructive geological disasters in the Qinghai-Tibet Plateau. At present， the way of earthquake prediction in the international community is mainly to use the velocity difference between P-wave and S-wave produced by earthquakes to predict earthquakes. By expounding the experimental basis of the first detection of gravitational waves， the generation and properties of gravitational waves， and the formation mechanism of earthquakes， the feasibility of earthquake prediction by satellite remote sensing is analyzed. The results show that gravitational waves may be produced by the collision of high-mass objects on the eve of the earthquake， and the spatial folding oscillations can be caused by the propagation of waves in space. A large area of spatial folding images can be monitored by satellite remote sensing， which plays a role in earthquake prediction.

Keywords： Qinghai-Tibet Plateau; geological hazards; gravitational waves; spatial folding

引言

地震對于青藏高原或是中國乃至世界而言，都是破壞性極大的地質(zhì)災(zāi)害。對于地震的預(yù)測在中國歷史上張衡就認(rèn)知到地震及其所帶來的破壞，于是發(fā)明了地動(dòng)儀來預(yù)測地震，表明先人已形成預(yù)震、防震的理念，直到今天地震預(yù)測仍然是很難有所突破發(fā)展。國際社會(huì)現(xiàn)階段普遍都是以地震產(chǎn)生的縱波與橫波在地層中速差來預(yù)測地震，其預(yù)測地震時(shí)間一般可提前時(shí)間約在十幾秒左右，但也會(huì)對人類社會(huì)避免生命財(cái)產(chǎn)損失做出了貢獻(xiàn)。基于前段時(shí)間俄國專家認(rèn)為引力波或可預(yù)測地震，且能提前五天預(yù)測。通過對引力波的產(chǎn)生及傳播相關(guān)性質(zhì)、地震形成機(jī)制、黑洞相互碰撞產(chǎn)生的時(shí)空漣漪，進(jìn)行類比推理板塊運(yùn)動(dòng)或可同樣能產(chǎn)生微小的時(shí)空漣漪，也就是板塊碰撞產(chǎn)生了引力波，來判斷引力波預(yù)測地震的可行性。由于引力波從發(fā)現(xiàn)到證實(shí)的過程實(shí)例太少，只能通過星體、黑洞等超大質(zhì)量的物質(zhì)碰撞才能產(chǎn)生足夠人類探測到引力波，并且人類至今的探測技術(shù)也很有限，由于儀器的落后，無形之中進(jìn)一步加深了引力波預(yù)測地震的難度，使得實(shí)驗(yàn)室?guī)缀醪荒芴綔y到引力波，這也為引力波預(yù)測地震可行性研究進(jìn)一步增加了困難。基于超大質(zhì)量物體碰撞引起空間折疊的事實(shí)基礎(chǔ)之上，板塊運(yùn)動(dòng)或可引起同樣的效應(yīng)，從而通過遙感監(jiān)測起到預(yù)測地震的目的。

1 引力波的產(chǎn)生及性質(zhì)與預(yù)測地震機(jī)理

1.1 引力波的產(chǎn)生及性質(zhì)與傳播

引力波的產(chǎn)生跟電磁波的產(chǎn)生有著相似的原理。即有質(zhì)量的物質(zhì)做加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)其引力場會(huì)產(chǎn)生震蕩，于是就產(chǎn)生了引力波。引力波是橫波，在遠(yuǎn)處為平面波，具有兩個(gè)獨(dú)立的偏振態(tài)。以輻射的形式傳播能量，在真空中具有光速同等速度。且引力作用比電磁作用還要弱很多，因此也為探測帶來很大的難度[1-2]。引力波首次探測到是以兩顆質(zhì)量極大的黑洞合成一顆高度旋轉(zhuǎn)且質(zhì)量很大的黑洞，其損失的質(zhì)量以時(shí)空卷曲現(xiàn)象的形式向四周擴(kuò)散傳播[2-3]（見圖1、2）。

基于能量守恒定律任何運(yùn)動(dòng)都是能量的轉(zhuǎn)化過程，超大質(zhì)量物體由碰撞損失的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，以波的形成向四周擴(kuò)散。從圖2可以看到碰撞引起的引力波在空間中傳播引起了空間折疊，從另一個(gè)角度說如果視覺足夠好，是否可以很好地觀測到引力波的傳播方式，就像水波在水中的傳播方式被人所觀測到。對于空間中超大質(zhì)量物體的碰撞引起的引力波進(jìn)行類比推理，地球的板塊運(yùn)動(dòng)是否可以起到同樣的效果，通過板塊運(yùn)動(dòng)碰撞產(chǎn)生了引力波并且傳播，導(dǎo)致發(fā)生了區(qū)域性明顯的空間折疊現(xiàn)象。

由于板塊碰撞相對空間中超大質(zhì)量物體碰撞引起的空間折疊及其能量的損失，可能只有區(qū)域性可以觀測到微不足道的空間折疊。但這也為遙感衛(wèi)星監(jiān)測到提供了可能，遙感衛(wèi)星通過捕捉連續(xù)性時(shí)間區(qū)段內(nèi)遙感影像的折疊現(xiàn)象，推測區(qū)域性的板塊擠壓碰撞。

1.2 引力波預(yù)測地震機(jī)理

引力波預(yù)測地震主要是分析地球內(nèi)部流體物質(zhì)擠壓產(chǎn)生的引力波，然后衛(wèi)星探測到由于地層內(nèi)部能量的積累與釋放所產(chǎn)生的微小振動(dòng)，在地震來臨之前緩慢的能量積累肯定會(huì)引起地殼不停的震動(dòng)，這就是引力波不斷傳播的作用，但不為人所感受到，當(dāng)?shù)卣饋砼R前夕能量積累到了一個(gè)臨界值，會(huì)發(fā)生較大的震動(dòng)。基于之前發(fā)生的震動(dòng)引起的空間折疊現(xiàn)象，地震爆發(fā)前夕的空間折疊現(xiàn)象肯定會(huì)相比明顯。其過程主要是地球最外層巖石圈熱變化先產(chǎn)生震動(dòng)，當(dāng)內(nèi)部引力波到達(dá)中間層時(shí)，引力波能量轉(zhuǎn)化為熱運(yùn)動(dòng)，從而影響溫度。俄國學(xué)者也表示引力波在地震前5天開始生長，在地震前兩天達(dá)到峰值，地震活躍地區(qū)是引力波增多的原因所在。引力波預(yù)測地震是通過分析地球表面深處可能存在一些跡象，表明可能會(huì)發(fā)生大地震。當(dāng)然也表現(xiàn)出其存在的一定局限性，但不影響其突出的重要作用。

2 地震發(fā)生的物理機(jī)制

在目前所知的引起地震的因素主要是板塊運(yùn)動(dòng)引起的一系列構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，以及人工誘發(fā)的地震。在地殼表層物質(zhì)都是固態(tài)巖石的形式存在，所以其發(fā)生震動(dòng)破壞性很大，而對于地殼內(nèi)部一定深度處物質(zhì)就是以液態(tài)熔融體的形式存在。在板塊運(yùn)動(dòng)中遇到整體性及剛性較好的塊體時(shí)，地殼的區(qū)域差異構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生牽制與矛盾，使得地殼差異構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不能正常進(jìn)行，剛性塊體發(fā)生應(yīng)變能量集中形成孕震體[4]，地震的形成本質(zhì)是板塊的平行錯(cuò)動(dòng)、俯沖、擠壓作用形成的能量積聚。板塊運(yùn)動(dòng)時(shí)，板塊與板塊碰撞就是剛性物質(zhì)的碰撞，形成了局部的高溫融化了巖石，當(dāng)然也會(huì)如同超大質(zhì)量物體一樣產(chǎn)生質(zhì)量損失，如果如同超大質(zhì)量物體一樣產(chǎn)生了引力波，那么其產(chǎn)生的引力波會(huì)在局部熔融體中傳播。類比推理，超大質(zhì)量物體碰撞引起空間漣漪，板塊運(yùn)動(dòng)引起局部熔融其震動(dòng)還是以波的形式傳播。通過紅外遙感衛(wèi)星可以觀測地殼內(nèi)部深部的變化。這為遙感衛(wèi)星監(jiān)測地表預(yù)測地震再次提供了可能。

3 超大質(zhì)量物體碰撞產(chǎn)生的時(shí)空卷曲的微觀體現(xiàn)

我們知道引力波是時(shí)空卷曲振蕩形成的，那么通過反推可以認(rèn)為空間發(fā)生卷曲的部位產(chǎn)生了引力波。其研究專家應(yīng)該是通過對衛(wèi)星觀測地表某些地層的微小振動(dòng)，推斷該處產(chǎn)生了引力波。而地震根據(jù)以上地震的形成機(jī)制，地震是兩巨大質(zhì)量塊體的擠壓，其原理很符合人類首次觀測到引力波實(shí)驗(yàn)。黑洞之間的相互碰撞可以產(chǎn)生足夠強(qiáng)的引力波，就像扔在河中的石頭質(zhì)量越大產(chǎn)生的漣漪越大，所以相關(guān)專家認(rèn)為引力波或可預(yù)測大地震在類比推理上是成立的。但目前衛(wèi)星分辨率還不足夠高，最先進(jìn)的衛(wèi)星分辨率是0.3m左右，在地球上所發(fā)生的板塊碰撞中的板塊質(zhì)量比起星體與黑洞還是質(zhì)量極其輕微。其發(fā)生的空間卷曲肯定是十分微小的，能否通過衛(wèi)星觀測到地表變化還未知，但空間發(fā)生細(xì)微的卷曲理論上是存在的，符合俄羅斯專家利用衛(wèi)星觀測地層產(chǎn)生微小的振動(dòng)推測引力波預(yù)測地震。簡而言之，就是黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波可以被探測到，并且歷史上發(fā)生的時(shí)空卷曲也被人觀測到。推理板塊碰撞的產(chǎn)生微小引力波通過高分辨衛(wèi)星觀測是一樣的。

通過黑洞碰撞產(chǎn)生引力波類比推理板塊碰撞也能產(chǎn)生及其微小的引力波，而時(shí)空卷曲也早已經(jīng)被人類所觀察到。使得引力波預(yù)測地震得到了很好的支撐，只需更加深入地了解地震物質(zhì)碰撞規(guī)律，預(yù)測地震理論上是可行的。在引力波探測實(shí)驗(yàn)中，引力波與檢測質(zhì)量相互作用的作用截面極小且把入射引力波信號轉(zhuǎn)換成電信號是通過不斷地引力波信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換最終轉(zhuǎn)換成電信號，其過程能量損失極大且實(shí)驗(yàn)要求也越苛刻，也受地面震動(dòng)的影響以及目前科學(xué)技術(shù)水平的局限，實(shí)驗(yàn)室還很難探測引力波的存在，只能通過天體引力波源進(jìn)行探測[5]。未來通過發(fā)展分辨率更高的衛(wèi)星以及更加深入了解板塊碰撞形成的地震機(jī)制很有必要。在工程建設(shè)時(shí)，我們通過防震理念表現(xiàn)出的抗震等級需求也不斷提高。但在大地震時(shí)仍然深感目前工程建設(shè)難以滿足實(shí)際需要，所以引力波對于大地震的預(yù)測仍然有著重要的作用。

4 結(jié)束語

相對于人類科學(xué)技術(shù)的限制以及對引力波知之甚少，對于引力波相關(guān)理論還不完善，也限制了引力波預(yù)測地震的可能性。但對于引力波預(yù)測地震個(gè)人認(rèn)為還是存在一定可行性的，對于引力波預(yù)測地震無非以下可能性：

（1）通過大質(zhì)量物體碰撞引起的引力波傳播觀測地表特殊的空間折疊形式及其幅度進(jìn)行衛(wèi)星遙感影像監(jiān)測，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)預(yù)測地震。

（2）板塊運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱能在地殼內(nèi)部產(chǎn)生的局部熔融液態(tài)體，通過紅外觀測更容易觀察到引力波在液態(tài)中傳播的熔融體的波動(dòng)。

（3）在青藏高原由于印度板塊的不斷俯沖擠壓，地殼下肯定存在大量的熔融體，使得其波動(dòng)能更好地被紅外遙感衛(wèi)星監(jiān)測到，當(dāng)然也只是一種推測。對于存在大量熔融體的區(qū)域，或許無需研究引力波的產(chǎn)生及傳播形式，只需對熔融體運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行紅外檢測以及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，或可就判斷其區(qū)域是否穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]有關(guān)原初引力波的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[J].物理通報(bào)，2014（06）：2-3.

[2]本刊資料室.從引力場方程的建立到引力波的直接探測[J].物理通報(bào)，2016（04）：2-3.

[3]程景全，楊德華.引力波和引力波望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展[J].天文學(xué)進(jìn)展，2005（03）：195-204.

[4]周友華.地震孕育發(fā)生物理機(jī)制的新探索[A].中國地球物理學(xué)會(huì).中國地球物理學(xué)會(huì)第二十七屆年會(huì)論文集[C].中國地球物理學(xué)會(huì)：中國地球物理學(xué)會(huì)，2011.

[5]唐孟希，李芳昱，趙鵬飛，等.引力波、引力波源和引力波探測實(shí)驗(yàn)[J].云南天文臺臺刊，2002（03）：71-87.