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地震前兆的复杂性及地震预报、预警、预防综合决策问题的讨论——浅释唐山、海城、松潘、丽江等大地震的经验教训（一）
地震趋势性异常与产生微破裂有关的岩石非弹性膨胀效应有关,而短临异常与粘滑之前的断层预滑和断裂加速扩展有关。这个物理机制的认识,较好地解释了具体观测站、点不同变量的趋势性异常和短临异常的具体特征,但是还不足以解释这两类异常在时间和空间结构上的整体特征,尤其是对短临前兆异常复杂性的解释。
大震孕育过程所伴随的地震活动和前兆异常现象的复杂性,与自然界许多现象(如热对流等)类似:复杂过程一定伴随着空间上的不均匀性和随时间变化的复杂性。像热对流本纳德(Benard)六角形水花的形成那样,复杂的大震孕育体系在一定条件下(大震孕育过程进入非弹性应变阶段)各变量显现协同、有规律变化,如地震活动空区、条带等;各台、点前兆观测变量同步性变化,呈现具有时间节奏(律)、空间有序的自组织结构,可称为地震趋势异常;当超过另一个临界值时,将出现新的强有力随机性表现形式:空间结构变得模模糊糊,各变量不规则地随时间变化为特征的动态,系统可由一个相同步的状态被转换到一个以相同步显著破坏为特征的混沌状态(如同湍流的前兆),空间上每一点、每一时刻各变量的变化都不相同,此起彼伏,而且在某些时段,某些区域处于以“平静”为特征的状态,大地震前所观测到的大范围短期、临震前兆异常现象及其特点:异常在时间、空间分布不均匀性,震中区的突发性异常,开始相对平静,临震时才猛增,外围前兆性震群和前震(如果有)等现象的时间、空间分布,与随机性为主的混沌状态是相仿的。而且,由于系统处在临界失稳状态,这时候触发因素起重要作用,将引发大地震发生,使系统进入应变能释放和衰减的新状态。
类似材料的变形、疲劳、破坏,地震是地壳介质变形后的断裂、破坏。非平衡对材料科学干预的最引人注目之处,大概在材料的破坏方面。如像塑性、变形、疲劳这样一些现象由缺陷引起的,它产生于应力的作用和随之而来的放大和位移,形成破裂的先兆结构。在受外部约束(应力)的体系中损伤和位错形成,及其相互作用,将导致体系内部(变形)不稳定性,以及物质(包括流体)运移及缺陷(裂纹)密度分布的空间结构。当应力增加时,最初的静态位错及其它缺陷变得越来越大的易变性,它们在体系中的运动便产生数量越来越大的热能,这又反过来增加了缺陷(裂纹)总数。这样一来,就面临一种具有正反馈的失稳机制,它与变形诱发的冷却的稳定效应相对抗。这两种机制在某临界点达到相互平衡,该临界点可作为弹性与塑性变形的边界。可以预料,驱动体系离开平衡态的外部约束条件———应力在临界情况下的阈值确定了新状态的分支点。
唐山地震(1976年7月28日, 7.8级)、海城地震(1975年2月4日, 7.3级)、松潘地
震(1976年8月16日, 7.2级)、丽江地震(1996年2月3日, 7.0级)等大震前后所观测到大量的多学科、多层次异常现象,不仅为地震科学和地震预报研究提供了几代人难得的丰富经验和重大科学价值的观测资料,而且为非线性科学在大规模介质变形、断裂、破坏的应用方面,提供了宝贵的例证。“像塑性及弯曲性这样具有实用价值和重要意义的力学现象似乎是不可能在纯力学的基础上加以探索研究的,准确地说,它们应该视为在远离平衡的条件下起作用的非线性动学体系一般性问题的组成部分。我们确信,这种认识本身就构成了材料科学领域内一个重要的突破点”。对地震及其前兆异常的观测和探索研究也应持这种认识和思路。
前兆异常的复杂性实质问题是空间结构、时间进程的复杂性的表现。块、带、源、兆整体协同分析和长、中、短、临过程相结合的渐进式地震预报思路,就是这些地震预报成功与失败的实践经验总结。只有整体上,从时间、空间结构统一性上进行综合分析研究,才有可能抓住地震及其前兆复杂性问题的本质。
海城地震,其预报成功是由于1973年9月以来的金县短水准异常以及小地震群、前震活动、水氡、宏观等突发性异常的相继出现,此起彼伏和发展,使地震发生的危险时间和可能地点逐步“缩小”,特别是前震的发生和正确地判断为最后确定发震时间和地点起了关键的作用
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2008-05-20 12:59:57
