临界慢化与地震预报

1986年我们建议把统计物理学中相态突变前刻发生的现象(即临界现象)用于地震预报(国际地震动态,1986年8期)。该文讨论了涨落加剧和长程关联在地震预报中的应用。1988年我们进一步引入临界慢化等临界指标並在灾害预测研究中加以应用(灾害学,1988年2期)。本文试图就临界慢化在地震预报中的应用作进一步讨论。     

由震源系统的整体稳定和局部不稳定探讨中、强地震预报

对于一个包含许多大震震源的复杂系统来说，当外界对它的供能稳定、且边界条件变化不大时，该系统处于定态。定态系统的演变过程呈线性规律，涨落水平稳定。虽然系统的宏观状态不随时间变化，但系统内部仍可发生宏观过程，并会出现局部的突变。在突变前局域往往出现非线性行为。因此定态系统的每一次涨落与其子系统的突变相对应。由定态系统的上下限可预测未来地震发生的时间和强度，由系统的非线性行为可确定其地点。本文以１９７６年松潘７．２级地震为例对所提思路和方法作了检验．应当指出，当复杂震源系统和其子系统均处于非稳定态时，则确定性预报不能进行。     

前兆起伏加剧与短临地震预报

起伏加剧是相态突变前的一种临界现象,本文应用这一观点探讨了强地震前小震活动频次和地下流体、气体、地应力等前兆变化的起伏加剧现象,并得到以下初步结果: 1.临近强地震前较大范围内超过平均日活动水平的小震活动的空间分布具有有序性,即出现穿过未来大震区的小地震活动条带,条带的交汇区为未来大震区。2.强地震前的小震高频次活动日大多与外因出现时间同步,目前发现的外因有塑望、节气、中强以上磁暴以及大气压力下降等。这种小震的高频次活动一般出现在震前当天至一个月时间内。3.前兆的起伏时间和小震频次的起伏时间大致同步。它们在成因上有联系。     

新疆2次中强地震前的临界慢化现象研究

以2011年尼勒克、巩留交界6.0级和新源、和静交界6.6级地震为例,研究了2次地震前周边的形变和流体资料的临界慢化现象。首先,用小波变换方法对观测资料进行了预处理,然后计算了临界慢化现象的预警指标,方差和自相关系数,进而总结了2次6级地震发生前观测资料的临界慢化现象特征。结果表明,2次6级地震前出现了临界慢化现象。     

新疆2次中强地震前的临界慢化现象研究

以2011年尼勒克、巩留交界6．0级和新源、和静交界6．6级地震为例,研究了2次地震前周边的形变和流体资料临界慢化现象。首先,用小波变换方法对观测资料进行了预处理,然后计算了临界慢化现象的预警指标,方差和自相关系数,进而总结了2次6级地震发生前观测资料的临界慢化现象特征。结果表明,2次6级地震前出现了临界慢化现象。     

漏阈值系统的自组织临界性: 近平均场的动力学影响及其对地震、神经生物学和预测方面的意义

阈值系统被看作是自然界中某些最重要的非线性自组织系统,包括地震断层系统、神经网络、超导和半导体、互联网以及政治、社会和生态系统。所有这些系统都具有与时、空、强相关的动力学,且都典型地显示了时空尺度的多重性。我们在两种不同尺度上讨论地震阈值系统自组织的物理学问题：(1)“微观”的实验室尺度,来自模拟结果的考虑导致了动力学方程,这些方程可以推导从滑动实验中得到的结果;(2)“宏观”的地震断层系统尺度,强相关地震断层系统的物理学可以通过应用定义在希尔伯特本征态空间有关的态向量来理解。所有的这些系统中,长程相关导致局部各态历经动力学的存在。耗损效应的存在导致了“漏阈值”动力学的出现,它等同于一个控制与背景涨落尺度有关的成核事件尺度的新的标度场的出现。在宏观地震断层尺度的框架下,这些作为一种预报未来地震活动方法的观念显示出了比较大的希望。     

中国大陆及其周边板内地震活动的整体演化模式（一）

以活断层网络为结构框架的中国大陆及其周边地区可视为一个“断层运动与蕴震”系统。用自耦合方法初步研究发现，该蕴震系统是一个时间结构有序的耗散系统，这种时间结构的有序是在远离平衡态的条件下，通过系统与环境物质，能量的变换而建立和维持的。它在演化过程中遵循着非平衡相变的若干特点，这就是临界慢化，分岔与减熵等，以能量积累的负反馈方式开始，以能量大释放的正反馈方式结束的螺旋式地震活动周期是中国大陆及其周边板     

地震活动"密集—平静"现象的混沌特性探讨

把概率论方法与Logistic方程结合起来,采用随机变量(X)分布的统计参量:即变异系数Cv、偏态系数γ1、峰态系数2γ、信息熵H(X)和h*量值以及分数维维数D0*和D1*等参量,探讨了定量描述"密集—平静"不均匀分布现象和判断系统处于平衡状态和非平衡状态的方法。研究认为:地震活动性异常的实质是X的概率分布由单峰型(平衡状态)转为双峰型或多峰型(非平衡状态)分布,可以由上述参量尤其是γ2和h*量值的综合分析来区分。对于"密集—平静"的前震序列和强余震发生前的序列,这种转变可以由"时间分支行为"来解释;并且提出了根据有震(X≥1)和无震(X=0)两种定态的时段之比,来判断前震序列的一种简易方法。中国大陆M≥7.0地震年频度分布存在双峰型分布特征,可能说明中国大陆M≥7.0地震活动处于远离力学平衡状态。一个大地震在其发生演化过程中,地震活动及前兆现象经历了从弹性应变积累阶段的无序状态(表现为单峰型的泊松过程)到非弹性应变中期阶段的有序状态(有序的自组织结构,表现为双峰或多峰型),再到短临阶段的无序状态。这时出现各种异常现象的同步变化被显著破坏为特征的混沌状态,系统不可逆转地被推向失稳状态;触发因素在这时起重要作用,将引发大地震发生,使系统进入应变能大释放和长期衰减的新状态,而后开始新一轮孕育过程。对于地震及其前兆所具有的这种现象,似乎不可能在纯力学的基础上探索研究,而应该视为在远离平衡条件下非线性动力学体系一般性问题的组成部分。这种认识本身的深化可能就是地震预报研究领域一个重要的突破点。     

统计物理学在地震预报中的应用

将统计物理学中相变临界现象与震源孕育模式相结合,讨论了地震预报问题。这些临界现象是：长程关联、涨落加剧、奇异吸引子、岔点外敏、临界慢化、趋向分维、临界乳光、λ型、临界软模等。以上临界现象对应的前兆,是综合预报的物理基础。     

地震孕育过程中若干地震学特征参量研究

从新疆实际出发提出一种简捷的预报程式,用以判定地震三要素。结果表明,(1)新疆3级地震累积频次低于均值6个月,1年内新疆发生6级地震的概率为90%;(2)以新疆地震活跃期响应地震分布区做为预备震源区,该区未来3年发生中强震的概率为86%;(3)预备震源区出现一年以上低6值,其250 km区域1年内发生6级地震的概率为75%;(4)当系统处于相对稳定状态时系统内部个体的涨落很难使系统出现非线性响应,而当系统处于亚失稳状态时,系统内部个体的涨落有可能触发系统中处于高应力状态下的地震活动。     

大姚模拟水温与“十五”数字化水温动态对比分析

通过对“十五”数字化水温分钟值与模拟水温整点值自2008年以来针对省内及周边地区发生的5．0级以上地震前后的水温动态特征进行对比分析,结果表明：“十五”数字化水温分钟值动态在省内及周边地区发生地震前出现短临、临震异常,比模拟水温整点值明显,“十五”数字化水温异常的特点是：在震前出现周期形态消失或周期突跳畸变,震后周期形态恢复较快。“十五”数字化观测采样率高,震前短临、临震异常特征明显,对临震预报预测具有较高的实用价值。     

慢地震慢前兆的机制研究

通过岩石高温高压破裂实验与有机玻璃破裂试验的应力—应变曲线对比、地震波形记录(观测资料)与试样破裂波形(实验资料)对比、地震前后定点应变与主破裂前后应变形态变化的对比，认为慢地震是临界或亚临界破裂或预先滑动所致，是低频应变波动。它是材料屈服、弱化或塑性变化的必然结果。而慢前兆则是临近大地震(大破裂)前出现的诸如形变、低频地震波(破裂弹性波)等的短期及临震前兆现象，它比较可靠。但由于许多岩石主破裂前并无明显的临界破裂或预滑动现象，也并非所有岩石都一定出现明显屈服，所以也并非每个地震前都有慢地震，因此，也就不一定都出现低频波动。从而，也并不一定都出现相同的短期、临震前兆现象。     

震前蒙城地震台地脉动噪声的特征

对本台数字化地震观测以来记录到的典型地震,运用数字地震信号处理方法,测算每个抽选地震震前一分钟地脉动信号在时间域和频率域的特征数据,通过频谱分析法,获得了震前地脉动噪声频谱的差异性。初步研究了典型地震震前地脉动频谱变化的特征和规律,共归纳了18类震前地脉动噪声类型,按照无震平静分钟值脉动频谱特征类比典型地震震前分钟值频谱的异样变化,发现正常与异常的地脉动噪声特征,最主要的还是受震级强度和地理位置的影响较大。临震前地脉动分钟值频谱特征异常,可用于震前脉动前兆异常变化跟踪,从而利用地脉动频谱的特征参量监测地震孕育过程,为地震中长期及短临预报提供依据。     

Seismicity before and after the two great Sumatra earthquakes of 2004 and 2005

The Harvard CMT catalogue contains 481 shallow earthquakes that occurred between 1 January 1977 and 30 November 2005 within a broad region defined by the geographical latitude from 3°S to 14°N and by the longitude from 91°E to 102°E. There are 230 events that occurred before the great earthquake of 26 December 2004. Their surface distribution is not uniform and the source area of the 2004 great event appears as an area of seismic quiescence with a radius of about 100 km. There are 186 events that occurred between the two great earthquakes of 26 December 2004 and 28 March 2005. Practically all of them are located to the northwest from the great earthquake of 2005, that in turn was followed by 63 events, mostly located to the southeast. The cumulative seismic moment from earthquakes before the occurrence of the great event of 2004 increased rather regularly with time, with sudden increase about twenty years and two years before the occurrence of the great event. The seismic moment of earthquakes between the two great events increased rapidly during the first ten-fifteen days, then flattened out and increased slowly with time. After the great event of 2005 the seismic moment shows quiet increase during some 115 days, then sudden jump, followed by very small activity till the end of our observations. From the spatial distribution of seismic moment of earthquakes that occurred before the great event of 2004 it follows that its largest release appeared to the southeast from the great event, around the rupture area of the great earthquake of 2005. The largest release of seismic moment from earthquakes between the two great events is observed in the vicinity of the 2004 event and further up to the north. The seismic moment from earthquakes that occurred after the great event of 2005 was mostly released in its vicinity and further down to the south.     

汶川地震前的b值变化

Gutenberg-Richter定理给出了地震频度随震级的分布特征.大量研究表明频度-震级关系的斜率（b值）在大地震孕育的过程中会出现减小.为了考察b值在汶川地震孕育过程中的时间演化特征,本文尝试基于破裂断层选取研究区域,考察了2000年1月至2008年4月间,汶川地震（M_S8.0）破裂区的地震活动性,并对该区域b值的变化进行了探讨.结果表明,在2005年中至2006年底,地震月频度及季度频度有一个较明显的下降.b值从2002年始至地震前呈现出一个长期趋势性减小;在地震前约半年,出现快速、显著的下降.b值的这一时间变化特征与其他研究者报道的日本东北M_W9.0级地震前的b值变化特征具有很高相似性,可能反映了大地震准备过程中的应力变化.以上结果有益于认识和理解大地震孕育演化过程,同时也表明b值在中长期地震灾害评估中具有潜在价值.     

地电阻率瞬时突变序列变化与临震预报

本文采用断裂力学观点，分析研究了一些临震预报实验结果与地电实际观测资料。发现在强震与部分中强震前，震中附近的台站，除能预测到有关地震的地电阻率日突变序列的短期异常变化外，在瞬时突变序上还能看到临震前明显的突变现象，还是震前三个月里的最大瞬时突变，从它的出现至发震所需的时间，将随震中距的减少而缩短，且与震级有关，对于强震多集中出现在震前一个月内，中强震为十天内，并有由外围向震中收缩的趋势，其平均收缩     

重庆地震台地倾斜观测资料分析

分析了重庆地震台地倾斜观测资料,结合重庆辖区内10多年来的地震活动,提取地倾斜观测异常,为地震预测提供前兆参考。资料分析认为:对于发生在震中距为80~120km的5.0级以下地震,地倾斜观测地震异常少;5.0级以上的地震,地倾斜观测有异常记录,地震中期异常往往表现为震前几个月倾斜量的较大幅度变化,短期异常多数表现为震前差分值的低值变化(在均值附近变化,幅值较小,持续时间20d左右),部分表现为差分值震前突跳,临震异常主要是震前几天短周期波动变化。     

茫崖和共和地震与断层气动态异常

观测断层气体的动态,研究它的异常变化与地震的相关性,是一种新的短临预报方法。1990年青海茫崖6.7级地震、共和6.9级地震前,断层气Rn、Hg的异常变化特点是临震突变幅度大、异常反应范围广。     

汶川8.0级与昆仑山口西8.1级地震前地震活动异常特征与启示

两次特大地震前在不同时段、 不同范围出现了多项相似的地震活动性异常, 它们对预测特大地震具有一定意义: ① 两次大震前10余年, 青藏块体同期出现了两个规模巨大的中强以上地震增强区, 两次大地震发生在增强区内的空区里; ② 两次巨大地震前数年, 形成规模巨大的中强地震活动带, 地震发生在两个条带间的平静区里; 同期形成中等以上地震活动环, 其内部的地震频度、 加卸载响应比及非均匀度等参数甚高, 且随时间而变化, 这可作为孕震进入中期的信号; ③ 两次大震前的震群、 震丛均很显著, 昆仑山口西地震前四个显著震丛环绕震中四周分布, 汶川地震前震群在震中周围形成包围圈, 它们应视为大震孕育进入后期的显示; ④ 大震前数月, 靠近发震断裂带发生少量中小地震或少见的震群。 汶川地震前10个月, 龙门山断裂带北部发生两次青川4级多地震和松潘4.3级地震, 南部康定附近发生3次4级以上地震。 紫坪铺水库区小震群于震前3个月活动十分强烈。 昆仑山口西地震前约1年青海兴海发生6.6级地震, 昆仑山口西发生5.1级地震, 该地震距离8.1级地震约30 km。这些特征给我们的重要启示是: ① 特大地震前出现的前兆时空特征与常见的中强地震差异很大, 现行的监测预报体制(分省分片负责)与特大地震前兆不相适应; ② 特大地震的预测预报不能单纯依靠地震前兆, 必须与地质构造及深部探测紧密结合起来; ③ 特大地震的预测预报应有新的预报战略、 观测系统与组织机构相适应。