地震预测:从芦山地震到大陆地震

自从1990年以来,通过对青藏高原的调查和研究,认识到下地壳流动同步形成盆地和造山带,并受控于相关洋盆地幔软流圈向大陆的顺层流动和底辟作用。下地壳不均匀流动通过韧脆性中地壳热能-应变能转换孕育地震,部分发震能量通过上地壳脆性断层释放。在地震孕育过程中通常会伴生跨年度干旱和异常降雨,构成热灾害链。近5年内青藏高原东部连续发生汶川、玉树、芦山大地震,形成于从亚东流经羊八井、安多、玉树并分支流向汶川和芦山—康定的下地壳"热河"的仰冲式和侧冲式撞击作用。从2008年9月以来连续发表5篇论文,根据地壳热构造和热灾害链的时空结构对芦山地震的三要素进行了长期和中期预测。2008年9月预测从2013年开始可能发生大地震,2012年9月将鲜水河—安宁河—小江异常热流构造带5年内将发生多个7级地震的首个大震锁定在芦山或西昌。芦山地震只释放了亚东—羊八井—安多—玉树—鲜水河—安宁河—小江"热河"剩余热能中的一小部分,在西昌—会理—昭通地区、道孚—康定地区、通海—石屏地区近5年内很可能发生4个7级左右的地震。此外,华北典型的热灾害链结构表明震情严峻,环渤海地区近3年内很可能发生大地震。从地震热流体撞击机理与地震异常之间的关联性出发,提出了动态立体监测及短临预测地震的思路和方法。     

东昆仑、玉树、汶川地震的发生规律和形成机理:兼论大陆地震成因与预测

青藏高原东北部东昆仑、汶川、玉树等强震的同震地表破裂不对称发育,伴随余震有规律地分别向东、南东和北北东方向迁移,很可能是源于恒河盆地流经亚东、当雄、安多、库赛湖、治多、玉树、甘孜、汶川的弧形下地壳“热河”的流速和流向变化形成的,下地壳热流物质正在向云南及邻区汇聚形成下地壳“热海”,导致长时间跨季度构造热干旱,其影响超过大气环流的作用。地表破裂不一定受断层控制,震源也不在断层面上,下地壳流动导致中地壳发震并进一步影响上地壳形成同震脆性破裂系统。大陆板内盆山过渡带地震密集,大陆板内地震是在下地壳层流的热动力作用下导致活动地壳分层变形的产物。在大陆盆山耦合、圈层耦合的非线性开放系统中,从大洋底部的软流圈层流进入大陆底部使得地幔软流圈加厚,底辟上升为大陆下地壳流动,为地震活动提供了巨量热能;热软化的下地壳缓慢的韧性流动孕育了大陆板内地震;中地壳韧 脆性剪切带易于积累能量,发生热能与应变能的转化,产生地震,形成震源层;上地壳脆性断层活动和地表破裂是地震释放深部能量的载体和方式之一。地壳稳定性评价的依据应当是地壳的活动性而不是断层的活动性。大陆活动构造区地震活跃期与平静期交替实际上是下地壳地震能量的聚散过程,体现在下地壳热主导的韧性流动构造与上地壳应力主导的脆性破裂构造之间的相互作用。下地壳热软化物质流动过程中流速、流向等突然改变触发地震,并产生共振波。大陆下地壳流层在厚度、温度、粘度、流速、流向上的变化产生一定程度的温度异常、流体异常及与其相关的大气层、电场、磁场、重力场、地球化学场、应力场、应变场、生物场等异常。合理布置天空网、地面网、地下网,综合立体监测有效的地震前兆,系统地开展长期、中期和短临地震预测,能够不断地提高地震预测水平。     

鲁甸、景谷、康定地震预测的原理、方法及其意义

继中长期预测了芦山地震之后,笔者中期预测了鲁甸、景谷和康定地震。例如,鲁甸地震的预测震级为7级左右或6.5级以上(实为里氏6.5级),地点为北纬26°~29°、东经101.5°~105°(实际震中北纬27.1°,东经103.3°),发震时间可能是2014年5月至2015年5月(实际为2014年8月3日)。本文总结了鲁甸、景谷、康定地震和陆内地震热流体物理综合预测的原理、方法和步骤;阐明了在开放复杂地球系统多级物质循环热构造背景下,大陆地壳非均匀流动("热河")过程中热能的源、汇、释过程与热灾害链及其地震之间的关系;提出了根据热灾害链时空结构和活动"热河"地震空区相结合进行长期和中期地震预测,与根据热流体直接和间接前兆异常开展立体监测和短临地震预测有机结合的新思路。根据当前热灾害链的演变规律和异动"热河"地震空区分布,进一步分析了西南和华北地震的发展形势,强调华北(特别是东北)的震情极为严峻,短临地震监测和预测已刻不容缓。     

大陆地震构造系统: 以青藏高原及邻区为例

青藏高原及邻区三角形发震构造域是全球大陆最显著的地震多发区.脆性活动断层及其弹性回跳模式无法合理解释该区深度集中分布在10~40 km的点状震源.针对发震构造和地震机理不明确这一重大科学问题, 以大陆动力学和地球系统动力学新思想为指导, 对青藏高原及邻区发震构造系统进行域、层、带、点相关研究, 阐明大陆地震构造系统的结构型式, 认为下地壳固态流变及其韧性剪切带是提供地震能量的孕震构造, 中地壳韧-脆性剪切带是累积地震能量的发震构造, 上地壳脆性断裂是释放地震能量的释震构造.在研究青藏高原及邻区地震构造系统及其形成背景的基础上, 进一步论证了大陆地震热流体撞击的形成机理: 地幔墙导致大洋中脊之下的软流圈热流物质层流到大陆特定部位汇聚加厚并底辟上升, 造成大陆下地壳部分熔融和固态流变, 并改变莫霍面的产状, 固态流变物质侧向非均匀流动, 形成大陆盆山体系, 流动的韧性下地壳与脆性上地壳之间具有韧-脆性剪切滑脱性质的中地壳不断积累由下地壳热能转换而来的应变能, 形成发震层, 震源定位于下地壳热流物质富集带("热河")中的固态-半固态流变物质撞击到强弱层块之间的构造边界, 不同热构造环境和撞击角度产生5种不同类型的地震.从而为大陆地震的科学预测奠定了全新的理论基础.      

大陆板内地震的发震机理与地震预报——以汶川地震为例

大陆板内地震主要产于新生代厚壳造山带或高原,在平面上呈弥散状分布,在剖面上震源沿中地壳成层分布,为浅源地震.盆山活动断层系统呈规律性组合,盆山挤压边界为逆冲型压性发震断层;盆山走滑转换边界为走滑型扭性发震断层;造山带内部主要是伸展型张性发震断层.大陆板内地壳分层流变作用制约了板内地震的构造物理过程.大陆下地壳韧性流层为地震活动提供了热能,热软化和热融化介质发生缓慢的韧性流动,是孕震构造;中地壳韧-脆性剪切带发生热-应力转换,聚积应力和应变,为蕴震构造;当下地壳流动在中地壳积累的应变超过上地壳特定构造部位介质的应力-应变极限时,上地壳形成脆性发震断层,产生地震.震源出现在上地壳脆性断层与中地壳脆-韧性剪切带的交汇部位,青藏高原的震源深度通常为12～35 km.目前地震预报是世界科学难题,然而,大陆动力学和板内地震的理论突破可能为短临预报提供了新思路.如果大陆下地壳热动力作用是中地壳产生地震和上地壳发生地震的根源,那么上地壳脆性断层活动会释放出地壳深部的热流体和热气体,引起局部的地温异常、水文异常和大气异常.建议从大气到地表再到地下系统地监测活动断层带及邻区的地下水、地表水、大气的温度异常和成分变化,结合观测下地壳流层厚度、地应力-应交变化、重力异常、磁异常、地电异常等,综合评价地壳活动性和发震可能性.2008年5月12日发生的里氏8.0级汶川地震处于龙门山造山带与四川盆地的构造边界上,是典型的大陆板内地震,震源处于映秀-北川断层上,震源深度为12 km.350 km长的地表破裂带呈右行左阶雁行排列在具有逆冲和右行走滑性质的汶川-茂县-青川、映秀-北川和江油-都江堰3条断层带上.下地壳的韧性流动伴随中地壳韧-脆性剪切带应力和应变的积累,产生上地壳脆性活动断层,并控制地表破裂带和滑坡的分布.     

西南地区热灾害链及其与芦山地震的关系

通过对西南地区干旱（森林大火）洪涝（或冰冻）地震灾害链的分析,发现“4·20”芦山地震震前出现了一系列与该灾害链相关的热异常现象,即：川滇地区自2009年以来,先后经历了跨年度干旱,并伴随森林大火,2012年5月中旬局地开始出现暴雨洪涝,还引发大量滑坡、泥石流等地质灾害,2013年初南方多地相继出现大雾、低温、冻害、雪灾,在此期间,川滇地区还发生了一系列4.0~6.0级范围内中强地震,随后于4月20日发生了芦山地震。此外,通过芦山地震考察,发现震前8~6 h内出现喷水冒砂、天气闷热、狗狂吠等宏观异常,地震的同时震中地区出现爆炸、冒烟等现象,这些现象进一步说明芦山地震成因并非断层错动,而是地下热异常积累到一定程度后突然释放。同时,结合西南地区热灾害链结构推测,西南地区近期内仍将有强震发生。     

大别山及邻区若干重要基础地质问题的再认识:再论大别造山带非板块碰撞造山过程

就大别山及邻区若干重要基础地质问题作了较深入阐述,并据前人资料与新近调查成果,进一步明确：(1)北淮阳地区属扬子地块北缘,与华北地块南缘的分界为固始-肥中断裂以北。(2)超高压变质带内新元古代浅变质岩层确系存在,并与榴辉岩及其他超高压岩石,共同经受两期褶皱变形,形成早期为伸展拆离,主期为收缩挤压叠加褶皱变形带,而非外来构造残片,或俯冲过程被铲刮下来的“构造加积楔”。(3)蓝片岩形成于伸展拆离构造带内。榴辉岩为地幔岩,属岩浆成因。其他超高压岩石与“柯石英”可在“地壳异常压力”与“高压釜”机制联合作用下,在地壳较浅层次的伸展拆离构造环境下形成。(4)广泛分布的新元古代火山岩系及侵入岩,代表了晋宁期地壳被强烈拉伸裂解扩张事件,但未形成洋壳盆地。(5)详细描述了大别山及邻区构造变形及拉伸与生长线理特征以及形成机制,认为是由“地幔差速环流”所引发的岩石圈与地壳各分层间伸展拆离滑断剪切过程中形成。大别造山带经历了裂解成盆、伸展拆离、收缩挤压、热隆成山,由多阶段构造运动所完成,而非板块碰撞造山。     

南海北部深水及超深水区现今地温场及热结构特征研究

依据前人对岩石圈层结构的认识和地震反射界面揭示的沉积充填,本文对南海北部深水及超深水区域的现今地温场特征及岩石圈热结构进行了计算。结果表明：南海北部深水及超深水区具有“热盆”特征,超深水区较深水区更热,但超深水区沉积基底的现今温度较深水区低。大地热流值的总体变化趋势表现为从深水区向超深水区逐渐增高,与地壳和岩石圈向南减薄趋势一致。南海北部深水及超深水区具有“冷壳热幔”的岩石圈热结构特征。地壳热流主要由基底的构造形态和地壳减薄程度控制,地幔热流则只受控于岩石圈基底埋深。     

灾害频发和地磁减弱的关系

近年来全球强震频发,其灾难发生的原因可能是由地磁减弱引起的。研究表明,地磁减弱的原因在于两极冰盖融化导致地壳和地幔转动惯量增大及自转减慢,由此引发核幔差异旋转在数值和方向上的改变。在磁场减弱和磁极反向过程中,太阳辐射的增强和核幔热能的释放与灾害有一一对应关系。这一研究结论与美国学者最近发现的“浅核磁场”相一致。全球变暖与地磁减弱的相关性表明,气候变暖不仅会导致海平面上升,而且会导致频繁的地震、火山活动。     

地球多级循环及其资源、能源、灾害、环境效应

在综合分析前人资料和系统梳理笔者认识的基础上,以整体观和系统论的思想为指导,针对板块构造学说存在的核心科学问题,采用分尺度、分层块、分阶段的研究思路,探讨开放复杂地球系统的物质运动方式。将水平运动与垂直运动相结合,流体运动与固体运动相结合,地球内部过程与外部过程相结合,探索盆山和洋陆的成因及其关联机理,认为热动力是驱动盆山地壳物质循环和洋陆壳幔物质循环的关键因素。开放地球系统存在与盆山、洋陆物质循环有关的水循环、火山物质循环、大气循环、碳循环、生物地球化学循环、洋流循环,由此产生资源、能源、灾害、环境效应。地球内部热能经过长期的积累之后,以超级干旱-火山-冰冻-地震-洪水-海平面上升组成的全球性巨灾链形式释放,具有时空结构和关联机理的巨灾连发导致生物分批死亡,集群绝灭。地质历史上还有无数规模较小、结构相似、机理相同的热灾害链,不同程度地影响地球生态环境和全球变化。热灾害链贯穿地球整个演化过程。根据下地壳流动规律和热灾害链时空结构对中国大陆强震进行了预测。强调取热减灾减排不仅能够解决能源危机,而且可以降低灾害强度,推迟灾害发生时间。     

地球系统动力学与取热减灾减排

在综合分析大量地质、地球物理资料的基础上,建立了以热能为驱动力的开放地球系统发生多级物质循环的地球系统动力学新模式,据此可以合理地解释洋陆系统及其相关的盆山体系的动力学机制,阐明地球系统资源灾害环境发展的内在关系。在地球系统动力学创新思想指导下,总结了活动地壳热构造系统的特征,初步研究了华北和西南热灾害链的结构和强震发展趋势,系统地分析了取热减灾减排的重要性、必要性和可行性,在此基础上阐明了系统开发干热岩的思路和方法及其可持续发展的途径。从而为即将到来的新地学革命和能源革命提供了一个新思路。     

华北上地壳构造单元划分

利用天然地震数据分析研究得到的中地壳滑脱层的深度、活动方式、强度等结果,与重磁异常基底解译成果相结合,提出华北地区在中地壳位置发育有区域滑脱面,其特定壳层及深度位置决定了其在华北深浅构造关系转换中,起着“屏蔽”或联系的重要作用,而在华北伸展变形中是地块运动变形的底边界面。上地壳各个部分在沿其滑动时,因速度差、侧向约束条件等的不同,而派生出断叉线、横向调整断裂及相应的凸起、凹陷断块等次级单元。它们构成了华北上地壳基本构造单元,并直接控制着盆山空间分布、构造地貌单元发育。研究提出了华北上地壳构造单元划分方案:上地壳基底构造分为9个一级单元(Ⅰ~Ⅸ)和23个二级单元。其中一级构造单元为:Ⅰ阴山北部东西向区域凹陷断块;Ⅱ阴山-燕山区域凸起断块;Ⅲ太行山区域凸起断块;Ⅳ大别山区域凸起断块;Ⅴ渤海湾盆地断坳、断隆区;Ⅵ南华北盆地断坳、断隆区;Ⅶ鲁西区域断隆区;Ⅷ下扬子区域断坳、断隆区;Ⅸ鄂尔多斯区域断坳区。     

青藏高原及周边地区下地壳地球物理异常及成因

青藏高原及周边地区下地壳普遍发育电性高导层、波速低速层和热流密度值异常区.下地壳电性结构和速度结构明显具有纵向分层和横向分块的特点,其热流密度值具有明显的南北条带性和东西分块性.下地壳高导层、低速层和热流密度值异常区与青藏高原及周边地区各构造单元有一定的匹配性,异常区的形成与青藏高原和周边盆地耦合过程中下地壳岩石的热软化以及韧性流动有关.下地壳层流是下地壳岩石热软化和韧性流动的结果,青藏高原的隆升是层流作用的表现,目前层流作用的动力来源于恒河盆地下地壳,层流方向由恒河盆地流入青藏高原.     

初论地球自然灾害系统

在地核和太阳强大的热能驱动下,开放的地球系统固液气态物质发生不同尺度的循环运动。流体运动是地球物质运动的主导因子。地球不均匀热结构导致流体不均匀流动,涉及固流气耦合、天地耦合、地气耦合、洋陆耦合和盆山耦合,产生能量链、物质链、结构链、事件链、资源链、能源链、灾害链和环境链。地球内部热动力及其相关的重力、应力、引潮力联合作用于地球某个特殊部位,形成一系列具有成因联系、时空联系、前兆联系的自然灾害。通过灾害链的时空结构和有成因联系的前兆异常可以预测灾害,能够有效地防灾。地热异常区与灾害多发区吻合。在合适的构造部位系统开发地热和地气,能够有效地减灾和减排,并彻底改善能源结构,消除能源危机。     

华北中地壳滑脱面及其活动分区的天然地震研究

华北的上部地壳以脆性变形为主,下部地壳以韧性伸展为主,两种截然不同的变形状态却有着相同伸展方向、相同伸展量,使得上下地壳之间因差异运动而形成一个区域性界面-华北中地壳顶部滑脱面。以这个滑脱面为底边界发育起来的上地壳的结构构造,是控制华北盆山格局、基底构造发育形成的直接原因。华北构造是地壳脆性域“薄皮”伸展变形。滑脱面在华北基本上是连续分布的,呈断坡-断坪状,南北分带、东西分片,深度为12~22 km,一般为15~18 km,可识别出11个层状拆离区;上地壳以断块方式变形,断块的位置、形态及活动方式受滑脱面的断坡-断坪产状、与滑脱方向垂直的断叉线和与滑脱方向平行的调整断裂的组合控制,可识别出3个主裂陷轴、2条主断叉线和3条主调整断裂带。     

干热岩控热构造系统厘定与类型划分

为了研究干热岩成因机理,综合分析了干热岩形成背景、控热构造系统及尺度.地球中的干热岩具有特殊的形成构造背景,控热构造对干热岩热能的传输与聚敛具有很重要的作用,导致岩石圈不同热结构和热异常.控热构造可划分为生热、导热、储热和释热构造.生热构造包括地幔软流圈底辟,具有大量高放射性元素的岩浆房,活动性的深大断裂等;中、下地壳脆韧性转换带,活动的韧性剪切带是导热构造;中、下地壳的低阻高导体,韧性剪切流变层既是导热层,也是储热构造;火山、地震、浅表层次的活动断裂等为释热构造;控热构造的类型受到构造尺度和构造背景的限定.由于地壳中控热构造分布状态及发育特征差异较大,从而导致干热岩等地热能资源在地壳中的埋深、规模、热量以及分布状态等也有较大差异.      

中国岩石圈的基本特征

中国及邻区岩石圈结构构造十分复杂,并具有若干明显的特点:中国大陆地壳西厚东薄、南厚北薄,青藏高原地壳平均厚度为60~65 km,最厚达80 km;东部地区一般为30~35 km,南中国海中央海盆平均只有5 km;中国大陆地壳平均厚度为476 km,大大超过全球地壳392 km的平均厚度。中国大陆及邻区岩石圈亦呈西厚东薄、南厚北薄的变化趋势,青藏高原及西北地区岩石圈平均厚度为165 km,塔里木盆地中东部、帕米尔与昌都地区岩石圈厚度可达180~200 km。大兴安岭-太行山-武陵山以东,包括边缘海为岩石圈减薄区,厚度为50~85 km。西部岩石圈、软流圈“层状结构”明显,反映了板块碰撞汇聚的动力学环境;东部岩石圈、软流圈呈“块状镶嵌结构”,岩石圈薄,软流圈厚,反映了地壳拉张、软流圈物质上涌的特点,并在东亚及西太平洋地区85~250 km深处形成一巨型低速异常体。中国东部上、下地壳及地壳、岩石圈地幔之间普遍存在“上老下新”年龄结构。     

四川芦山7.0级强震震前监测及预测

2013年4月20日中国四川芦山发生7.0级地震,它是在2009-2011年中国西南地区出现长期大面积严重干旱这一强震中期典型异常背景下发生的。笔者执笔的年度中期预测发震地点与实际偏差400 km。地震前一天晚上,中国地球物理学会天灾预测专业委员会对“2013年4月27日前后10天是中国大陆及周边地区可能发生MS≥7.5级强震的危险日期”,专门就国内近期存在发生强震的危险性展开了内部闭门讨论。震前3小时陈维升发现：全国气温自记曲线出现大面积断点。并且,震前4天北京工业大学地震研究所接收到次声波异常信号。2013年4月21日从郑州返京后,才得以查实：2013年4月18日23时-4月19日08时（北京时间）韩国气压图资料显示,在包括北纬30.3°、东经103°在内的100 km范围内,出现了低气压异常区。笔者指出必要的反思是：科学是人类与自然的通信;要从发展演化的观点研究强震信息。     

地球低阶重力场系数J2异常变化与地震活动的关系研究

1992-2011年地球低阶重力场系数J2先后发生了两次异常变化,时间段约为1997-2000年、2007-2010年;根据中国地震台网（CSN）公布的地震目录,收集1990-2012年间发生在中国大陆MS≥3.0的所有地震资料,初步分析了J2异常变化与地震活动的关系。文中分别对浅源（深度范围0≤h≤70 km）MS≥5.0、MS≥6.0和中源（深度范围70≤h≤300 km）MS≥3.0、MS≥3.5、MS≥4.0地震总数进行了统计分析,建立了地震活动频次随时间变化的时间序列。文中将地震频次时间序列与地球低阶重力场系数J2长期变化作对比分析,结果显示：（1）浅源地震活动存在3个明显的峰值,第一个峰值和第二个峰值出现的时间段分别和“98异常”、“07异常”时间段吻合,第三峰值时间段和地球自转速率转变时刻吻合;（2）中源地震活动与浅源地震活动存在差异,前者仅存在两个明显的峰值,第一峰值出现的时间段和“98异常”吻合,第二峰值相对于“07异常”出现后移现象,然而小波多分辨率分析显示地震频次时间序列的小波细节系数发生显著变化的时段和“07异常”非常吻合;（3）中国大陆发生的7级以上的地震,62.5％位于J2异常变化期间、纬度集中分布于J2节点线35.3°附近。这些结果表明：J2异常变化可能会对中国大陆地震活动产生较显著的影响;地球自转速率转变的时刻对浅源地震活动产生较显著影响,而对中源地震活动影响不明显。最后从地球重力学以及J2变化与地球自转的关系方面分析J2异常变化与地震活动的关系。研究显示：1992-2011年间J2发生的两次异常变化的时间间隔大致为10 a,这和地球自转“10 a起伏”变化相吻合,这些结果对中国大陆地震孕育过程规律的认识以及地震预测研究具有一定的价值。     

高位远程崩滑碎屑流-泥石流灾害链的演变过程与影响范围预测——以“4·5”四川洪雅县铁匠湾地质灾害链为例

20世纪以来,地质灾害以灾害链形式出现的频率明显加大,目前对灾害链的演变过程以及影响范围的研究并不多。本文以2021年4月5日四川洪雅县铁匠湾高位远程崩滑碎屑流-泥石流灾害链为例,阐述了灾害链的演变过程。启动源为高位崩塌,崩落的大量岩块对下方斜坡岩土体造成冲击和加载形成滑坡,受降雨影响,崩滑碎屑流物质向双溪河发展演变为泥石流;采用RAMMS软件对泥石流的运动过程进行数值模拟分析,划定了其在不同降雨频率下的影响范围。结果表明：在20 a一遇降雨频率下,影响范围涵盖了双溪村上游部分分散农户;在50 a一遇降雨频率下,影响范围覆盖双溪村人口密集区;在100 a一遇降雨频率下,影响范围将继续向下游发展,延伸至老赵河聚居区。灾害链发生期间,附近最大降雨量接近10 a一遇,将10 a一遇模拟结果与现场实际形成的影响范围进行对比,发现两者基本一致,说明模拟结果可信。