李德威

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地球科學(xué)學(xué)院,中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 重大地質(zhì)災(zāi)害研究中心,湖北 武漢 430074)

近年來青藏高原東緣相繼發(fā)生系列強(qiáng)震,包括2008年5月12日汶川Ms 8.0級地震、2010年4月14日青海玉樹Ms 7.1級地震、2013年4月20日四川蘆山Ms 7.0級地震、2014年8月3日云南魯?shù)镸s 6.5級地震,2014年10月7日云南景谷Ms 6.6級地震,2014年11月22日四川康定Ms 6.3級地震。這些沿著川滇菱形塊體東北部邊緣構(gòu)造帶串珠狀分布的地震發(fā)震頻率高、震源深度淺、鏈?zhǔn)綖?zāi)害多、災(zāi)害損失重、關(guān)聯(lián)研究少、預(yù)測環(huán)節(jié)弱。

地震預(yù)測不僅是科學(xué)問題,也是社會問題?！抖Y記·中庸》中說:“凡事預(yù)則立,不預(yù)則廢”。搞好預(yù)測、作好準(zhǔn)備是成功的基礎(chǔ)。地震是地球物質(zhì)運(yùn)動的一種構(gòu)造表現(xiàn)形式,自然界任何物質(zhì)運(yùn)動都是有規(guī)律的,取決于能量的源、匯、釋。因此,地震活動是在某種能量作用下物質(zhì)發(fā)生規(guī)律性運(yùn)動的結(jié)果,必然會出現(xiàn)與地震機(jī)理密切關(guān)聯(lián)的前兆異常,據(jù)此可以科學(xué)地預(yù)測地震。

筆者曾在東昆侖、汶川、玉樹、通海地震區(qū)分別進(jìn)行了3次、5次、4次、3次野外調(diào)查,在蘆山、魯?shù)椤⒖刀ǖ卣饏^(qū)各進(jìn)行了1次實(shí)地調(diào)查,并與50多位地震專家進(jìn)行了長達(dá)3年的廣泛、深入交流。在此基礎(chǔ)上,本文以下地殼層流與盆山耦合大陸動力學(xué)(李德威,1993,1995,2003;李德威和紀(jì)云龍,2000;李德威等,2009;Li,2008)、多級物質(zhì)循環(huán)地球系統(tǒng)動力學(xué)(李德威,2005,2011,2012,2014a,2014b)、熱災(zāi)害鏈(李德威,2011,2012,2014a,2014b)和陸內(nèi)地震熱流體撞擊(李德威,1995,2008a,2010,2011,2012,2014a,2014b;李德威等,2014)等學(xué)術(shù)思想為指導(dǎo),通過蘆山、魯?shù)?、景谷、康定等地震的長期和中期預(yù)測(李德威,2008a,2010,2011,2012;李德威等,2013a),進(jìn)一步總結(jié)陸內(nèi)地震預(yù)測的思路和方法,闡明地震的形成機(jī)理,強(qiáng)調(diào)取出災(zāi)能、變害為寶的重要意義。

1 地震能夠預(yù)測

自從Gelleret al.(1997)在Science上發(fā)表“地震不能預(yù)測”一文以來,主流基本認(rèn)同“地震是一種自組織臨界現(xiàn)象”,支持地震不可預(yù)測。也有一些學(xué)者對地震自組織臨界提出質(zhì)疑(Knopoff,1999;Main and Kindy,2002;吳忠良和蔣長勝,2007;陳運(yùn)泰,2009;許紹燮,2011)。Cyranoski (2004)在 Nature 上發(fā)表了“A seismic shift in thinking”(地震預(yù)測觀念的大轉(zhuǎn)變)一文,令人鼓舞。

我國成功預(yù)測了海城、松潘–平武、龍陵–潞西、烏恰等二十多次 6級以上的地震,還創(chuàng)造了唐山大地震中的“青龍奇跡”。這些成功案例充分說明地震是可以預(yù)測的。正因如此,我國一些專家克服許多困難,長期致力于地震預(yù)測事業(yè),并取得豐碩的研究成果(陳立德和付虹,2014;陳運(yùn)泰,2009;傅承義等,1979;鄧志輝和馬瑾,1993;耿慶國,1984;郭增建,1997;胡敦寬等,1995;劉德富和康春麗,2003;強(qiáng)祖基等,1990;任振球等,2001;許紹燮,2011;曾小蘋和林云芳,1995;張小濤等,2009;張元生等,2010;鄭治真,1994;Hu et al.,2013;Zhao and Qian,1994)。 筆者曾與馬宗晉、許紹燮、李 玶 、郭增建、耿慶國、汪成民、李均之、趙玉林、錢復(fù)業(yè)、林云芳、曾小蘋、楊巍然、強(qiáng)祖基、杜樂天、徐道一、任振球、鄧志輝、石紹先、付虹、張元生、曾佐勛、湯懋蒼、高曉清、陳維升、夏雅琴、李正心、胡輝、韓延本、沈宗丕、高建國、陳輝、岳中琦、池順良、羅灼禮、劉德富、顧國華、查志遠(yuǎn)、馬鴻鈞、丁躍軍、李志平、張建國、宋期等就地震成因與預(yù)測進(jìn)行過不同程度的交流,結(jié)合筆者在多個地震區(qū)的調(diào)查和地震地質(zhì)的研究,初步總結(jié)大陸地震不同演變階段的前兆特征見表1。

上述前兆異常是由多個震例(特別是大震)高度綜合而成,而不是每個地震必然出現(xiàn)所有的異常,因此,前兆異常是復(fù)雜的,有待進(jìn)一步深入研究。另外,還需要說明和探討的是:

(1) 異常范圍大小與單個地震的震級和震群分布有關(guān),也與中下地殼非均勻熱結(jié)構(gòu)有關(guān)。初步估計,對于里氏 7級地震的地面異常而言,長期異常區(qū)域(如干旱)震中距可達(dá) 400 km,中期異常區(qū)域震中距約300 km,短期異常區(qū)域震中距約200 km,臨震異常區(qū)域震中距約100 km,宏觀異常極強(qiáng)區(qū)可能在數(shù)十公里范圍內(nèi)。因此,根據(jù)中長期異常范圍確定短臨地震監(jiān)測區(qū),分析增量熱能(災(zāi)能)對應(yīng)的地震數(shù)和震級,然后分步驟開展立體監(jiān)測和加密流動監(jiān)測,根據(jù)前兆異常發(fā)展的時空強(qiáng)結(jié)構(gòu)基本能夠確定震中和發(fā)震時間,進(jìn)行臨震預(yù)測和預(yù)報。

表1 陸內(nèi)地震主要前兆異常組合Table1 Main precursory anomalies of intracontinental earthquakes

(2) 地震前兆異常具有時空和強(qiáng)度的有序結(jié)構(gòu),長中期預(yù)測階段前兆異常從外圍向震中定向遷移,進(jìn)入短期和臨震預(yù)測階段前兆異常則從震中向外定向遷移;異常強(qiáng)度從熱流體準(zhǔn)備撞擊到進(jìn)行撞擊之間出現(xiàn)物理量突變;流體相關(guān)異常早于固體相關(guān)異常;震級越大,前兆異常的時空尺度和強(qiáng)度變化越大,出現(xiàn)的前兆異常種類越多,前兆異常演變的規(guī)律性越強(qiáng),地震預(yù)測的難度越小;顯著的地應(yīng)力相關(guān)突變異常,多與同震形變和位移有關(guān)。

(3) 晚期小范圍異常區(qū)出現(xiàn)在早期大范圍異常區(qū)邊緣,晚期異常種類多、頻率高、分布集中的區(qū)域往往與震中有關(guān)。在地質(zhì)構(gòu)造上,表現(xiàn)為流動的“熱河”與相對固定的“河岸”之間的接觸部位或潛在的撞擊點(diǎn)。

(4) 盡管震前下地殼因增量熱能引起半固態(tài)流變物質(zhì)發(fā)生異常運(yùn)動,由于中地殼吸收了大量的熱能發(fā)生固態(tài)相變,順層調(diào)節(jié)的韌脆性轉(zhuǎn)換帶儲存和積累了由熱能轉(zhuǎn)換的應(yīng)變能,因此,上地殼表及其淺表層次變形不明顯,位移速率變化不大,地下至空中熱流體變化較明顯,局部甚至出現(xiàn)由熱隆作用產(chǎn)生的拋射式滑坡、地陷、礦難等自然災(zāi)害;同震塊體位移和地表破裂突然加著,熱流體異?；顒痈语@著，熱流體撞擊后的上沖作用常導(dǎo)致拋射式碎屑狀遠(yuǎn)程高速滑坡;震后地下水汽釋放和局部大氣環(huán)境改變,常出現(xiàn)異常降雨,伴生泥石流。

(5) 不僅要重視熱災(zāi)害鏈異常區(qū)立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系的建設(shè),還要大力加強(qiáng)新型群測群防網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè),宏觀異常信息對短臨地震預(yù)測具有極其重要的作用。

導(dǎo)致現(xiàn)今地震預(yù)測困局的核心問題是流行的地震成因理論與客觀的前兆異常不相容:大量的前兆異常用流行的彈性回跳模式無法解釋,而根據(jù)彈性回跳模式應(yīng)有的地應(yīng)力、地形變異常在震前不一定出現(xiàn)或者不明顯。

地震前兆異常之間是否存在本質(zhì)上的關(guān)聯(lián)性？它們到底指向哪種地震機(jī)理？廣泛分布在中地殼的震源與剛性板塊和脆性斷層有關(guān)嗎？地震的時、空、物、能有規(guī)律和聯(lián)系嗎？本文試圖以魯?shù)?、景谷、康定地震預(yù)測為實(shí)例,解開這些謎團(tuán)。

2 魯?shù)椤⒕肮?、康定地震的預(yù)測方法

2.1 地震預(yù)測方法簡評

目前地震預(yù)測方法主要建立在測震、形變、電磁、地下流體、地震地質(zhì)的基礎(chǔ)上。由于執(zhí)行專群結(jié)合、群測群防路線,我國曾取得了成功預(yù)測海城地震這一開天辟地的偉績。我國震災(zāi)慘烈,損失驚人,一些地震專家在困境中奮爭,自創(chuàng)或嘗試多種地震預(yù)測方法。在長達(dá) 3年多的《國家自然災(zāi)害空間信息基礎(chǔ)設(shè)施專項》(簡稱623國家專項)論證過程中,我們了解、調(diào)查和評價了許多地震預(yù)測方法,包括地傾斜法、地應(yīng)力法、地應(yīng)變法、鉆孔應(yīng)變觀測法、GPS法、地震活動性圖像分析法、旱震關(guān)系及五項氣象指標(biāo)法、地電法(包括 HRT波法、地電阻率法、自然電位法、土地電法等)、地磁法(包括地磁轉(zhuǎn)換函數(shù)法、地磁加卸載響應(yīng)比法、地磁空間相關(guān)法、地磁異常極值環(huán)交匯法、磁噴法等)、電磁輻射法、MDCB法、重力法、天文–重力法、地聲法、地溫法、地下流體法(包括水溫、水位、水硬度、水氡等)、地氣法、次聲波法、動物異常法、氫氧碳同位素法、衛(wèi)星熱紅外圖像地震預(yù)測法、衛(wèi)星紅外潛熱通量法、衛(wèi)星熱紅外相對功率譜法、衛(wèi)星熱紅外長波輻射法、三性(周期性、倍周期性和黃金分割性)法、磁暴(月相)二倍法、加卸載響應(yīng)比法、電離層擾動法、可公度法或信息有序法、三星一線法、天文周期分析法、天文活動法、時緯殘差法、震象云法、天象–干支序列圖法、日食–地震法等等。經(jīng)篩選后分析了一些預(yù)測方法的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、技術(shù)可行性、發(fā)展?jié)摿痛嬖趩栴}?？傮w而言,有成功的案例,也存在誤報、漏報現(xiàn)象。常常是異常出現(xiàn),但背景不清、機(jī)理不明、關(guān)聯(lián)不緊,致使災(zāi)種難辨、定位不準(zhǔn),精度不高。

歸納起來,地震預(yù)測方法大致可分為經(jīng)驗(yàn)預(yù)測、統(tǒng)計預(yù)測、物理預(yù)測和綜合預(yù)測。實(shí)際操作中,這些方法各有側(cè)重,互有重疊。

目前,有人傾向?qū)⒑３堑卣痤A(yù)測歸為經(jīng)驗(yàn)預(yù)測,從觀察到的小震群異動和宏觀異常預(yù)測主震。因此“小震鬧、大震到”,成為海城經(jīng)驗(yàn)。而這種模式在接下來的唐山地震中沒有復(fù)制。但是,唐山地震之前出現(xiàn)了宏觀異常組合,還創(chuàng)造了“青龍奇跡”,可謂青龍經(jīng)驗(yàn)。

既然是經(jīng)驗(yàn),就應(yīng)當(dāng)積極總結(jié),不斷提高認(rèn)識水平。不是所有大震和強(qiáng)震都有小震群作為前震;宏觀異常的構(gòu)造物理屬性、地震專屬性、機(jī)理關(guān)聯(lián)性還不清楚;宏觀異常與微觀異常的系統(tǒng)監(jiān)測和關(guān)聯(lián)分析仍不夠。如果解決了這些問題,科學(xué)地建設(shè)立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系和新型群測群防體系,地震預(yù)測水平一定能夠大幅提升。

統(tǒng)計預(yù)測是將一定時空結(jié)構(gòu)中地震活動性的統(tǒng)計規(guī)律用于地震預(yù)測。目前西方國家傾向于研究特定區(qū)域的地震序列,建立地震概率模型,預(yù)測未來地震發(fā)生的概率。主要問題是:地震系統(tǒng)的時空結(jié)構(gòu)是動態(tài)變化的;地震概率模型參數(shù)選取具有主觀性;地震概率預(yù)測結(jié)果具有不確定性。

物理預(yù)測是從地震形成機(jī)理出發(fā),監(jiān)測地震發(fā)生之前物理量異常并進(jìn)行地震預(yù)測。這是地震預(yù)測的發(fā)展方向,也是地震學(xué)家努力奮斗的重要目標(biāo)。但是,目前地震機(jī)理不明;難以闡明常見的前兆異常與流行機(jī)理之間的關(guān)聯(lián)性。因此,建立在斷層活動、彈性回跳等物理機(jī)理之上的地震預(yù)報試驗(yàn)場接連受挫,滋生和助長了地震不可預(yù)測論。

綜合預(yù)測是整合多種地震監(jiān)測、預(yù)測手段,對前兆信息和預(yù)測建議進(jìn)行綜合判斷。將理論與實(shí)踐相結(jié)合,優(yōu)選多種地震監(jiān)測方法和手段,獲取地下、地面、天基、空基地震異常監(jiān)測數(shù)據(jù),進(jìn)行多類異常的四維動態(tài)立體填圖,提取關(guān)聯(lián)、耦合的前兆信息,有序開展長、中、短、臨相結(jié)合的綜合預(yù)測(李德威,2010,2011,2012;李德威等,2013a),是地震預(yù)測的發(fā)展方向。需要解決前兆是否有效可靠、方法是否合理權(quán)重、災(zāi)種鑒別是否有科學(xué)依據(jù)、整體與個體如何協(xié)調(diào)、人機(jī)能否有機(jī)結(jié)合等問題。

筆者認(rèn)為,物理預(yù)測是地震預(yù)測的根本,綜合預(yù)測是地震預(yù)測的根基。如果地震預(yù)測的思路由破裂物理預(yù)測轉(zhuǎn)向熱流物理綜合預(yù)測,許多問題可能迎刃而解。蘆山、魯?shù)椤⒕肮?、康定地震的中期預(yù)測在一定程度上支持了上述設(shè)想。要深入認(rèn)識這一預(yù)測思想,離不開下地殼層流、盆山耦合大陸動力學(xué)和多級物質(zhì)循環(huán)地球系統(tǒng)動力學(xué)這個大視野。

2.2 陸內(nèi)地震的預(yù)測思路

初步總結(jié)陸內(nèi)地震預(yù)測的思想、方法和步驟,如圖1所示。這是一個以熱流為主導(dǎo)、循序漸進(jìn)的地震監(jiān)測預(yù)測思路,目前只經(jīng)過了蘆山、魯?shù)?、景谷、康定等地震中長期地震預(yù)測的檢驗(yàn),還需要大量的驗(yàn)證和不斷地完善,特別是在短臨地震監(jiān)測和預(yù)測方面。

對于短臨地震預(yù)測,應(yīng)當(dāng)采取圍震思路。在調(diào)查和研究熱災(zāi)害鏈和“熱河”精細(xì)結(jié)構(gòu)及地震空區(qū)的基礎(chǔ)之上,圈定如圖2所示的潛在震區(qū),在已有監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上及時建設(shè)針對熱流體活動有關(guān)的立體監(jiān)測體系和流動加密監(jiān)測體系,逐步縮小地震發(fā)生區(qū)的時空范圍,精準(zhǔn)預(yù)測預(yù)報地震。本文強(qiáng)調(diào)必須立體監(jiān)測與熱流體災(zāi)變異常有關(guān)的前兆,在此只作綜合分析和理論探討,有待實(shí)踐檢驗(yàn)。因此,應(yīng)當(dāng)深入研究不同類型前兆之間的關(guān)聯(lián)性、前兆與災(zāi)種之間的關(guān)聯(lián)性、前兆異常與災(zāi)害機(jī)理之間的關(guān)聯(lián)性,針對熱異常關(guān)聯(lián)前兆,建立專群結(jié)合、群測群防的立體監(jiān)測系統(tǒng)和預(yù)測體系,能夠不斷提高地震預(yù)測水平。

圖1 地震預(yù)測思路示意圖Fig.1 Schematic diagram showing the workflow of earthquake prediction

圖2 西南地區(qū)地震長期和中期預(yù)測示意圖(據(jù)李德威等,2013a,加了魯?shù)?、永善、景谷、康定等地震的震?Fig.2 Long-term and medium-term earthquake forecasts in the Southwest China

由于活動“熱河”中固態(tài)、半固態(tài)流變物質(zhì)在重力、天體引潮力等因素作用下異常運(yùn)動,撞擊到強(qiáng)弱塊體的分界面,形成地震。根據(jù)熱流體撞擊形成地震的模式,熱和流體是地震的直接前兆,機(jī)理相關(guān)的氣象異常、物理異常、化學(xué)異常、水文異常、地質(zhì)異常、生物異常、天文異常是地震的間接前兆。地震監(jiān)測和預(yù)測應(yīng)當(dāng)在熱流體地震撞擊機(jī)理指導(dǎo)下科學(xué)部署,對通過熱災(zāi)害鏈圈定的短臨地震預(yù)測區(qū),除了運(yùn)用優(yōu)選的地震監(jiān)測手段獲得綜合前兆異常,并進(jìn)行異常動態(tài)立體填圖外,還要在短期地震預(yù)測區(qū)布設(shè)一系列橫穿“熱河”邊界過渡帶和幾條平行“熱河”并靠近邊界過渡帶的高精度地震探測剖面,抓住 S波對流體敏感的特點(diǎn),重點(diǎn)動態(tài)監(jiān)測震源層及其下部的熱軟化物質(zhì)的異常運(yùn)動,就像醫(yī)學(xué) CT或核磁共振持續(xù)監(jiān)測人體一樣,能夠準(zhǔn)確把握“血管瘤”的破裂過程(熱流體撞擊產(chǎn)生地震的過程)。在臨震期,合理布置按上述思路研發(fā)的災(zāi)害監(jiān)測和航拍無人機(jī)、綜合異常多功能監(jiān)測車,開展短臨地震預(yù)測區(qū)的流動加密監(jiān)測和實(shí)時攝像,并自動傳輸?shù)奖O(jiān)測預(yù)測預(yù)報中心,這樣就能夠靈活提供急需區(qū)段的前兆信息,而且能夠在第一時間發(fā)布地震災(zāi)情,繪制烈度圖,及時開展科學(xué)救災(zāi)。

因此,地震預(yù)測應(yīng)當(dāng)是在符合客觀事實(shí)的地球科學(xué)系統(tǒng)理論指導(dǎo)下采用科學(xué)方法而開展的一項系統(tǒng)工程。地震預(yù)報還需相應(yīng)的科學(xué)決策與應(yīng)急管理系統(tǒng)。

值得指出的是,地下剩余熱能可形成多種災(zāi)害,火山、跨季度干旱、拋射式滑坡、天然礦難、天然森林大火、突發(fā)性霧霾等許多災(zāi)害可釋放剩余熱能和熱流體,產(chǎn)生各種相似異常,因此災(zāi)種鑒別十分重要。高溫部分熔融或高度熔融形成的巖漿由于低密度產(chǎn)生的浮力,只能向上運(yùn)動,噴出地表形成火山,會出現(xiàn)區(qū)域相對固定的點(diǎn)式異常。而地震的形成機(jī)理不同于火山,是下地殼固態(tài)、半固態(tài)流變物質(zhì)非均勻?qū)恿鲗?dǎo)致順層滑脫的中地殼不斷積累應(yīng)變能,下地殼熱能通過中地殼應(yīng)變能轉(zhuǎn)換成上地殼機(jī)械能之后發(fā)生脆性破裂,形成地震。當(dāng)局部受熱的上地殼經(jīng)過冷加工硬化變脆后更易于破裂,因此,跨年度的地源熱干旱之后出現(xiàn)異常降雨或冰凍,當(dāng)?shù)叵聼崮茉俣犬惓７e累,易于發(fā)生地震。在災(zāi)種鑒別和災(zāi)源定位過程中,必須以致災(zāi)機(jī)理為指導(dǎo),對各種前兆異常進(jìn)行系統(tǒng)的組合分析、時空分析、關(guān)聯(lián)分析和主次(權(quán)重)分析。還要深入研究直接前兆與間接前兆的關(guān)系,區(qū)分必然前兆與偶然前兆,挖掘機(jī)理關(guān)聯(lián)的前兆異常數(shù)據(jù),分層塊提取有效前兆異常信息,進(jìn)行大數(shù)據(jù)定量處理和關(guān)聯(lián)分析,定能科學(xué)地預(yù)測地震。

地球如人,熱流似血。地震是中下地殼熱河(“血管”)局部熱流體異常運(yùn)動擊破較堅硬的圍巖(“血管瘤破裂”)造成的,因此,對由熱災(zāi)害鏈圈定的異動熱河高危區(qū)段進(jìn)行高分辨率多波段多分量四維地震探測(“CT動態(tài)掃描”),查明熱河潛在發(fā)震區(qū)的精細(xì)結(jié)構(gòu)、流動軌跡和流速變化,能夠準(zhǔn)確地預(yù)測地震。

查明異常熱活動構(gòu)造區(qū)帶特定時空結(jié)構(gòu)中自然災(zāi)害連發(fā)、群發(fā)、多發(fā)的致災(zāi)因子,辨認(rèn)有效、可靠、確定、關(guān)聯(lián)的前兆,搞清前兆異常和前兆組合所指向的致災(zāi)機(jī)理,是經(jīng)驗(yàn)預(yù)測上升到科學(xué)預(yù)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？v觀各大地震,地氣耦合現(xiàn)象明顯,震前悶熱、震后降雨(或下雪)似乎形成規(guī)律。震前熱流體異常與物理、化學(xué)、氣象、水文、生物、天文等異常之間可以建立成因聯(lián)系,但是用斷層活動、彈性回跳難以合理解釋。因此,從地質(zhì)、自然災(zāi)害、地球物理、氣象等事實(shí)出發(fā),認(rèn)識地震和關(guān)聯(lián)災(zāi)害的形成機(jī)理,并以此作為創(chuàng)立大陸動力學(xué)和地球系統(tǒng)動力學(xué)理論體系的組成部分,應(yīng)當(dāng)是當(dāng)代地球科學(xué)的重要發(fā)展方向。

2.3 魯?shù)椤⒕肮?、康定地震的預(yù)測思路

筆者在參與汶川地震之后45天的科技賑災(zāi)過程中,幾乎天天下雨,不僅看到了地表破裂、噴水冒沙、拋射式碎屑狀遠(yuǎn)程高速滑坡等地震相關(guān)現(xiàn)象,而且在多地采訪了幸存者。綜合各種宏觀前兆異常,主要有:震前天氣悶熱;地下悶響;河井池塘的水位、水溫、顏色、氣味發(fā)生變化;動物異常;地震當(dāng)天北川中學(xué)初二(1)班上物理課時張家春老師演示的指南針不停地亂擺;地震發(fā)生時看到拖著黑煙的火球,砂土像火山爆發(fā)或大炮發(fā)射一樣噴出,聞到硫磺等異味。

筆者耳聞目睹地震的慘狀和現(xiàn)象,下定了探索地震機(jī)理、開展地震預(yù)測的決心。在地球系統(tǒng)動力學(xué)多級循環(huán)假說、熱災(zāi)害鏈思想和地震熱流體撞擊模式的指導(dǎo)下,終于對西南地區(qū)2013年以來發(fā)生的蘆山、魯?shù)?、景谷、康定等?qiáng)震均作了準(zhǔn)確的長期和中期預(yù)測(圖2)。

我們曾經(jīng)闡述了蘆山地震的預(yù)測過程(李德威等,2013a)。魯?shù)?、康定地震與蘆山、玉樹等地震屬于同一個地震構(gòu)造系統(tǒng)和發(fā)震系列(李德威等,2014)。因此,本文不再詳細(xì)敘述魯?shù)?、景谷、康定地震的預(yù)測過程。概括其要點(diǎn)是:在地質(zhì)構(gòu)造上,它們沿著中新世以來從青藏高原下地殼非均勻流出產(chǎn)生的川滇菱形塊體的東北部邊緣構(gòu)造帶,與玉樹地震一起,呈串珠狀分布。在長期和中期異常上,它們經(jīng)歷了共同的跨年度干旱和后續(xù)的氣候突變和波動期,與地源熱能、水汽等作用有關(guān),“熱河”異常流動導(dǎo)致地氣耦合,形成熱災(zāi)害鏈。而且,在川滇菱形塊體的東北部活動的邊緣構(gòu)造帶“熱河”流域出現(xiàn)了強(qiáng)震空區(qū)。由于我們沒能掌握“熱河”的精細(xì)結(jié)構(gòu),目前還不能十分精準(zhǔn)地確定異動熱流物質(zhì)的可能撞擊點(diǎn),這種預(yù)測尚處于理論分析階段。

地震長期和中期預(yù)測的基礎(chǔ)是熱災(zāi)害鏈。初步認(rèn)為,地震是開放的復(fù)雜地球系統(tǒng)中熱能驅(qū)動不同相態(tài)的物質(zhì)發(fā)生多級循環(huán)運(yùn)動的表現(xiàn)形式之一,與其他自然災(zāi)害一起,構(gòu)成有序的時–空–物–能結(jié)構(gòu)。地球四維非均勻熱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致熱流體非均勻流動,不僅成礦成藏,而且致災(zāi)致難,并決定了自然災(zāi)害的區(qū)域性、群發(fā)性、連發(fā)性、關(guān)聯(lián)性、有序性、遷移性、突發(fā)性等特點(diǎn)。因此,海洋之中、大陸內(nèi)部、洋陸之間、地氣之間、天地之間的各種自然災(zāi)害常存在著關(guān)聯(lián)性。地球系統(tǒng)在非均勻熱動力作用下產(chǎn)生的致災(zāi)因子構(gòu)成時空有序、機(jī)理關(guān)聯(lián)的災(zāi)害結(jié)構(gòu),稱為熱災(zāi)害鏈(李德威,2011,2012,2014a,2014b)。

2004年以來,西南地區(qū)自然災(zāi)害頻發(fā)(陳桂凡等,2013)。熱災(zāi)害鏈典型結(jié)構(gòu)如圖3所示,震前3～6年出現(xiàn)跨年度干旱,伴生森林大火(長期前兆異常);震前 1～2年常表現(xiàn)為異常降雨和氣候大幅波動,甚至出現(xiàn)大面積冰凍(中期前兆異常)。因此,地源熱流體異?；顒蛹捌涞貧怦詈鲜堑卣鹬虚L期預(yù)測的基礎(chǔ),也是預(yù)測極端氣候事件的一個新思路。

自然災(zāi)害連發(fā)、群發(fā)區(qū)域與地?zé)岙惓^(qū)域吻合。在特定地?zé)針?gòu)造單元熱能的源–匯–釋量級和過程決定了熱災(zāi)害鏈的強(qiáng)度和時空結(jié)構(gòu)。大陸盆山體系中下地殼具有四維非均勻流動特征。地貌、地質(zhì)、地球物理、GPS、地震、溫泉、礦床的綜合特征表明(孫潔等,1989;曾融生和孫為國,1992;Royden et al.,1997;Clark and Boyden,2000;Wang et al.,2001;周伏洪等,2002;蔡學(xué)林等,2003;李德威.2008b;羅文行等,2008;馬宏生等,2008;Burchfiel et al.,2008;Hubbard and Shaw,2009;Wang et al.,2009;Bai et al.,2010;Zhang et al.,2010;鄭勇等,2013),青藏高原地殼分層流變顯著,深部地殼物質(zhì)向北流動受阻后轉(zhuǎn)向東流,盆山邊界是地貌、地殼厚度、巖性強(qiáng)度的突變帶,也是地震多發(fā)帶。近年來西南地區(qū)災(zāi)害頻發(fā)與源于恒河盆地流經(jīng)亞東、尼木、羊八井、錯那、雁石坪、沱沱河、玉樹、鮮水河、安寧河、小江的下地殼“熱河”中下游異常流動有關(guān),有關(guān)內(nèi)容下面將作較詳細(xì)的說明。該區(qū)段上一次地震活躍期從1970年1月5日號通海7.8級地震開始,其后相繼發(fā)生了1973年2月6日爐霍7.6級地震、1974年5月11日云南永善7.1級地震、1976年11月7日和12月13日鹽源6.7級和6.4級地震、1979年3月15日普洱6.8級地震和1981年1月24日道孚6.9級地震,地震烈度等震線長軸為NW-SE向或近南北向,與“熱河”流動方向和熱液體撞擊形式有關(guān)。

圖3 西南地區(qū)已經(jīng)發(fā)生(a)和正在進(jìn)行(b)的熱災(zāi)害鏈Fig.3 Happened (a) and ongoing (b) thermal disaster chains in the Southwest China

上述地震大爆發(fā)事件之后,經(jīng)過了23年的災(zāi)害平靜期,于 2004年開始出現(xiàn)災(zāi)害群發(fā)和連發(fā)事件,根據(jù)其時空結(jié)構(gòu),可分解成兩個次級的熱災(zāi)害鏈(圖3)。早期的熱災(zāi)害鏈偏北,晚期的熱災(zāi)害鏈偏南。

總之,根據(jù)熱災(zāi)害鏈的時空結(jié)構(gòu),結(jié)合異?；顒拥摹盁岷印绷饔?yàn)?zāi)能(剩余熱能)聚散規(guī)律及其地震空區(qū)分析,對蘆山地震和魯?shù)?、景谷、康定地震進(jìn)行了較準(zhǔn)確的長期和中期預(yù)測。

3 魯?shù)?、景谷、康定地震的預(yù)測原理

3.1 流行的地震機(jī)理及其存在的問題

自從1901年Reid提出彈性回跳模式以來,人們相信斷層運(yùn)動產(chǎn)生地震。一般認(rèn)為,大陸構(gòu)造地震是在板塊運(yùn)動構(gòu)造背景下,水平擠壓力遠(yuǎn)程作用于活斷層,導(dǎo)致活斷層閉鎖段應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限時發(fā)生破裂,斷層兩盤滑動位移,出現(xiàn)反向的彈性彎曲,斷面破裂處產(chǎn)生沖擊卸載,激發(fā)的彈性波向外傳播,斷層兩盤變形巖石彈性回跳并發(fā)生位移。

這個模式的核心是彈性體內(nèi)發(fā)生位錯和位移。因此,人們努力監(jiān)測震前斷層兩盤彈性斷塊“應(yīng)有”的顯著變形和斷裂帶“應(yīng)有”地應(yīng)力集中。按照此思路一些多震發(fā)達(dá)國家精心布置了高密度、高精度的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),至今沒能成功預(yù)測地震。特別是受到美國 Parkfield地震預(yù)測試驗(yàn)場的嚴(yán)重打擊之后,地震預(yù)測的風(fēng)向突變,地震不可預(yù)測成為主流觀點(diǎn)

地震真的是彈性體位錯而成嗎？若如此,震前斷層兩盤應(yīng)有十分顯著的彈性變形,為何用高精度的GPS等手段測量不到？人們是否忽視了真正的震源物理和震源之下的能量–物質(zhì)狀態(tài)而過分強(qiáng)調(diào)表淺層次直接觀察到的同震脆性破裂現(xiàn)象？震源應(yīng)當(dāng)是認(rèn)識地震成因的關(guān)鍵因素,地震體的物理狀態(tài)、構(gòu)造性質(zhì)、能量來源、物質(zhì)運(yùn)動是絕對不能被忽視的。因此,震源孕育過程和災(zāi)能聚散規(guī)律是解析地震機(jī)理的關(guān)鍵。

3.2 熱流體地震機(jī)理簡介

震源體的發(fā)育背景、基本結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、物理性質(zhì)、構(gòu)造樣式,是認(rèn)識地震成因、開展地震監(jiān)測和預(yù)測的基礎(chǔ)。震源體周圍震前常區(qū)域性面狀分布與熱有關(guān)的異常,傅承義等(1979)將這種現(xiàn)象稱為“紅腫說”,認(rèn)為斷層理論阻礙了地震機(jī)理研究和地震預(yù)測。正如滕吉文(2010)指出:“一個強(qiáng)烈地震的孕育發(fā)生和發(fā)展,必須具有一個特異的深部介質(zhì)和構(gòu)造環(huán)境,及其在力源作用下物質(zhì)的重新分異調(diào)整和運(yùn)移的深層動力過程。”陳勝早(2006)認(rèn)為震源一般發(fā)育在300～400 ℃的地殼脆韌性轉(zhuǎn)換帶。

震源體物質(zhì)沒有直接噴出地表,肉眼無法觀察,深鉆遙不可及,難以確定其精細(xì)結(jié)構(gòu)。然而,根據(jù)不同構(gòu)造單元、構(gòu)造層次、構(gòu)造階段展現(xiàn)的地質(zhì)現(xiàn)象總結(jié)的地質(zhì)規(guī)律,可建立包括地震甚至災(zāi)害鏈的構(gòu)造模式,闡明地球不同層塊之間能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)運(yùn)動的基本規(guī)律。地球物理探測、高溫高壓實(shí)驗(yàn)、數(shù)字模擬也是認(rèn)識震源物理、震源機(jī)理的重要途徑。

筆者自從 1990年以來對青藏高原及鄰區(qū)持續(xù)開展地質(zhì)調(diào)查和研究,先后創(chuàng)立了下地殼層流驅(qū)動盆山耦合的大陸動力學(xué)假說、軟流圈層流驅(qū)動洋陸耦合并制約大陸盆山耦合的地球內(nèi)部系統(tǒng)動力學(xué)假說、多級物質(zhì)循環(huán)關(guān)聯(lián)運(yùn)動的地球系統(tǒng)動力學(xué)假說、熱流體撞擊地震成因模式和熱災(zāi)害鏈成因模式。這些地學(xué)基礎(chǔ)理論和應(yīng)用基礎(chǔ)理論的新嘗試是蘆山、魯?shù)?、景谷、康定等地震預(yù)測的基礎(chǔ),可為大陸地震預(yù)測提供理論指導(dǎo)(圖1)。

概括起來,簡述如下:地球大地構(gòu)造單元與地貌單元吻合,分為一級的大洋與大陸和二級的造山帶與盆地,同級構(gòu)造單元結(jié)構(gòu)互補(bǔ)、構(gòu)造轉(zhuǎn)換、建造互換、機(jī)理統(tǒng)一、演化同步。兩級構(gòu)造單元之間具有結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、建造和機(jī)理的自相似性,并具有關(guān)聯(lián)成因:地球內(nèi)核在高溫熔融的外核中極不穩(wěn)定而偏離地心(黃定華等,2001),由此引起外核巨量流體的順層流動,外核的非均勻極高溫?zé)崃黧w在核幔邊界匯流形成巨量地幔上升熱流。不同形態(tài)的低密度深地幔熱流物質(zhì)在浮力作用下呈墻狀、柱狀上涌。墻狀深地幔熱流物質(zhì)上涌(地幔墻)構(gòu)成熱線,形成洋中脊;柱狀深地幔熱流物質(zhì)上涌(地幔柱)構(gòu)成熱點(diǎn),形成洋島。地幔墻熱流物質(zhì)上涌造成上部地幔部分熔融形成軟流圈,軟流圈溢出低密度的玄武巖形成洋中脊,密度相對較高的地幔半固態(tài)熱流物質(zhì)隨著不斷傾斜的軟流圈底面從洋中脊順層流向大陸,帶動仍具有陸殼成分的洋盆水平擴(kuò)張。流入大陸的地幔軟流圈低密度物質(zhì)造成大陸垂向生長,陸洋差異升降,大陸剝蝕物主要通過河流搬運(yùn)到海洋。大陸軟流圈加厚部位發(fā)生線性或點(diǎn)狀地幔底辟作用,一方面改變了莫霍面的產(chǎn)狀,另一方面引起大陸下地殼部分熔融和固態(tài)流變,下地殼固態(tài)流變物質(zhì)側(cè)向流失的區(qū)域形成大陸裂谷和沉積盆地,下地殼熱流物質(zhì)側(cè)向流入的區(qū)域形成造山帶或高原,山脈剝蝕物充填到盆地中，盆山之間地殼物質(zhì)發(fā)生循環(huán)運(yùn)動。

地球內(nèi)部時空分布不均勻的熱能經(jīng)過一定時間積累之后達(dá)到臨界狀態(tài),在天文事件的觸發(fā)下,過剩熱能快速釋放產(chǎn)生不同尺度的構(gòu)造活動及其災(zāi)害–環(huán)境效應(yīng),一系列關(guān)聯(lián)的突發(fā)性災(zāi)害連發(fā)和群發(fā),引起不同級別的氣候環(huán)境變化。對于導(dǎo)致恐龍滅絕這樣的巨型熱災(zāi)害鏈(李德威,2014a,2014b)與洋陸系統(tǒng)熱構(gòu)造強(qiáng)烈活動有關(guān),地下熱能經(jīng)過長時間積累到一定程度,巖漿侵位形成大陸超級干旱,海洋出現(xiàn)熱噴泉,洋陸同步發(fā)生超級火山噴發(fā)和巖體侵位,巨量溫室氣體溢出,海水大幅度升溫和缺氧,風(fēng)暴潮頻發(fā),海洋生物滅絕。陸地火山發(fā)生碎屑流和巖熔流,引發(fā)森林草原大火,火山和植物燃燒釋放巨量二氧化碳,導(dǎo)致地球內(nèi)部釋放出的熱量不能向外層空間擴(kuò)散,地球氣溫升高,氧氣含量急劇減少;火山噴發(fā)釋放大量的二氧化硫,與大氣層中水汽混合形成酸雨。隨著火山巖漿作用持續(xù)進(jìn)行,地殼釋放大量熱能后逐漸變冷,同時火山灰、二氧化硫和燃燒產(chǎn)生的灰燼遍布地球上空,反射太陽輻射熱能,進(jìn)一步造成地球淺表層變冷,進(jìn)入冰期。同時大批陸生植物死亡,在低溫環(huán)境下易于保存,形成煤層。隨著地球內(nèi)部熱能再積累,在地幔和下地殼熱流作用下冷而脆的大陸上地殼發(fā)生公里級的斷裂,洋陸相互作用區(qū)發(fā)生更大規(guī)模的變形，形成無數(shù)群發(fā)和連發(fā)的里氏12級以上地震,部分地震引起海嘯,熱噴泉、滑坡、巖崩和泥石流。通過構(gòu)造活動、地震、熱噴泉等釋放的熱能、水汽改造冷凝的大氣混合物,形成大范圍巨量降雨,超級洪水強(qiáng)烈沖刷和剝蝕山脈,盆地同步形成巨厚(km 級)的礫石層不整合覆蓋在下伏地層之上,陸生動物最終滅絕。這種巨型熱災(zāi)害鏈能夠徹底改變地球環(huán)境,可能是海洋生物、陸生植物和陸生動物銳減甚至分批滅絕的根本原因。

西南地區(qū)正在發(fā)生微型熱災(zāi)害鏈,其時空結(jié)構(gòu)、演變過程和形成機(jī)理基本類似于巨型、大型、中型和小型熱災(zāi)害鏈(李德威,2014b),但是其孕育背景、熱能量級、致災(zāi)作用顯著不同。陸內(nèi)微型熱災(zāi)害鏈與地幔墻、地幔柱底辟和軟流圈層流沒有直接的關(guān)系,而且熱能積累時間短,到不了洋陸耦合、盆山耦合峰期大規(guī)模熔融巖漿垂向上流的程度,而是地殼局部非均勻固態(tài)流變物質(zhì)側(cè)向異常流動產(chǎn)生的災(zāi)害效應(yīng)。

對于陸內(nèi)地震而言,大陸非均勻的物性結(jié)構(gòu)和熱結(jié)構(gòu)決定下地殼流動具有非均勻時空結(jié)構(gòu)。在下地殼流層中出現(xiàn)熱流體線性富集帶(稱為“熱河”),當(dāng)“熱河”中熱流體在天體觸發(fā)或因自身流量、流速、流向突變而發(fā)生異常流動,以俯沖、上沖、側(cè)沖和斜沖的方式撞擊周邊堅硬圍巖,受到爆轟的中地殼形成點(diǎn)狀震源,震源附近熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,通過上地殼脆性斷層活動和地表破裂釋放出來,形成地震。上地殼破裂系統(tǒng)加劇了包括水汽在內(nèi)的地下氣體的釋放,改變了局部的大氣格局,形成異常天氣。

根據(jù)上述假說或模式,震前不同階段會產(chǎn)生一系列與熱流體異常有關(guān)的前兆,以此為基礎(chǔ)建立地震及其關(guān)聯(lián)災(zāi)害的動態(tài)立體監(jiān)測與預(yù)測系統(tǒng),不僅可作為地震及其關(guān)聯(lián)災(zāi)害預(yù)測的一個新思路和新途徑,而且是檢驗(yàn)地學(xué)基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)應(yīng)用理論新體系的重要標(biāo)準(zhǔn)。圖1是上述假說應(yīng)用于地震預(yù)測的演繹部分,然而,要創(chuàng)立系統(tǒng)的地學(xué)理論體系,有賴于大量事實(shí)的歸納和新事實(shí)、新預(yù)測的反復(fù)檢驗(yàn),科學(xué)假說才有可能上升到科學(xué)理論,更好地指導(dǎo)實(shí)踐。

地震預(yù)測和地震機(jī)理的復(fù)雜性在于震源通常出現(xiàn)在地下10 km之下的中地殼,人們只看到地震發(fā)生后的地表破裂,易于片面強(qiáng)調(diào)斷層的作用。雖然我們無法直接觀察到現(xiàn)今的震源物質(zhì),直接測量震源物理量,但是大量的地質(zhì)和地球物理現(xiàn)象、高溫高壓實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和地震前兆表明:垂向上,地震常發(fā)生在脆性上地殼與韌性下地殼之間的韌脆性轉(zhuǎn)換帶;橫向上,地震常發(fā)生在地殼厚度和巖石強(qiáng)度突變帶;物質(zhì)上,沿著下地殼四維不均勻流變帶(“熱河”)的半固態(tài)、固態(tài)物質(zhì)點(diǎn)式作用于具有顯著強(qiáng)度差異的分層分塊物性界面;構(gòu)造上,下地殼韌性流變與中地殼韌–脆性轉(zhuǎn)換和上地殼脆性破裂密切關(guān)聯(lián);能量上,震源之下高能域的地?zé)崮芡ㄟ^震源層應(yīng)變能積累與轉(zhuǎn)換制約震源之上低能域的機(jī)械能。高分辨率地震層析成像可獲得震源區(qū)精細(xì)的速度結(jié)構(gòu),一些大地震的震源位于低速–高導(dǎo)層與高速–高阻層之間,與韌脆性轉(zhuǎn)換及其熱流體非均勻作用有關(guān)。

需要強(qiáng)調(diào)的是,地震機(jī)理必須遵循熱力學(xué)第二定律,發(fā)育在大陸地殼分層流變構(gòu)造系統(tǒng)韌–脆性轉(zhuǎn)換帶的地震能量,只能來自更高能的下部韌性區(qū)域,不可能來自更低能的上部脆性區(qū)域。若果真如此,必然出現(xiàn)重大的觀念轉(zhuǎn)變:斷裂是表,熱流是因,地震是果。僅就地震與斷裂而言,前者是因,后者是果。如今因果關(guān)系倒置,因此得出地震無法預(yù)測的結(jié)論。

在大陸地殼非均勻分層流變構(gòu)造系統(tǒng)中,局部熱能集中區(qū)帶的下地殼韌性流層中,半固態(tài)、固態(tài)流變物質(zhì)持續(xù)緩慢地流動產(chǎn)生活動的順層韌性剪切帶,通過中地殼韌–脆性滑脫層的變形調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)熱能–應(yīng)變能–機(jī)械能轉(zhuǎn)換,導(dǎo)致上地殼斷裂和地表層破裂。震前地殼表淺層次構(gòu)造變形及其增量應(yīng)變并不明顯,可能出現(xiàn)微量的地傾斜、地面升降,有時產(chǎn)生地表塌陷和拋射式滑坡。上地殼及表淺層突變性的破裂、位移只能是同震構(gòu)造。地殼深部熱流體的異常流動,會在相應(yīng)的時空結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)熱、甲烷、二氧化碳、氡、地下水、電性、磁性、重力、波速、地聲、氣象、某些元素的同位素、水文、天文觀測、生物等異常,它們是地震預(yù)測的基礎(chǔ)。從熱流體撞擊地震模式出發(fā),應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)短臨地震監(jiān)測區(qū)多層次地源異常熱能及其相關(guān)的尾波Qc值、S波分裂、泊松比等的動態(tài)監(jiān)測和綜合分析。例如,Aki (2004) 研究圣安德烈斯帶地震與尾波Qc值之間存在時間關(guān)聯(lián)性,認(rèn)識到地殼韌性層與上地殼脆性層之間發(fā)生相互作用,地震的動力來源可能是脆–韌性轉(zhuǎn)化帶。

3.3 魯?shù)?、景谷、康定地震的機(jī)理分析

上述從地球系統(tǒng)到地震機(jī)理的系列創(chuàng)新思想是認(rèn)識汶川、玉樹、蘆山、魯?shù)?、景谷、康定等地震機(jī)理的基礎(chǔ)。限于篇幅,除去細(xì)節(jié),闡述如下要點(diǎn):

(1) 青藏高原東南部地震孕育的構(gòu)造背景。大陸一般經(jīng)歷基底演化、洋陸演化和陸內(nèi)盆山演化三階段地質(zhì)構(gòu)造過程。青藏高原及鄰區(qū)經(jīng)歷了太古宙–古元古代結(jié)晶基底和中–新元古代褶皺基底形成階段、原特提斯–古特提斯–中特提斯–新特提斯及其相關(guān)古陸向南有序遷移階段和青藏高原北東部燕山期、中部喜馬拉雅早期和南部喜馬拉雅晚期的盆山耦合階段和3.6 Ma以來青藏高原整體均衡隆升階段(李德威,2008b;Li,2010,2013)。青藏高原東南部地震活動與燕山期以來的陸內(nèi)構(gòu)造過程有關(guān):燕山早期帶動太平洋生成和擴(kuò)張的地幔軟流圈物質(zhì)層流至四川盆地聚集加厚,底辟上升,四川盆地下地殼熱軟化物質(zhì)從中心向外層流,周邊山脈下地殼加厚并同步隆升,龍門山造山帶同期形成。燕山晚期以來,四川盆地逐漸冷卻,基底固結(jié)硬化。喜馬拉雅晚期(中新世)印度洋地幔軟流圈物質(zhì)層流至恒河盆地加厚并底辟上升,恒河盆地下地殼熱流物質(zhì)向北不均勻流向青藏高原,喜馬拉雅造山帶同步形成。由于源于恒河盆地的下地殼層流仍在進(jìn)行,下地殼不均勻流動在青藏高原及鄰區(qū)地殼加厚過程中形成三角形發(fā)震構(gòu)造域(李德威等,2014)。從地質(zhì)、地震、地球物理綜合分析,三角形發(fā)震構(gòu)造域內(nèi)部存在 7條源于恒河盆地向北流動的下地殼“熱河”(李德威等,2009,2013a;李德威,2010),驅(qū)動多震域向北漂移,從東到西為:(1)錯那–桑日–墨竹工卡–嘉黎–波密–察隅–保山–耿馬“熱河”;(2)亞東–尼木–羊八井–錯那–雁石坪–沱沱河–玉樹–鮮水河–安寧河–小江“熱河”;(3)定結(jié)–謝通門–申扎–雙湖–西金烏蘭湖–庫賽湖–冬給錯拉湖–迭部–舟曲及平武“熱河”;(4)老定日–鎖作–許如錯–當(dāng)惹雍錯–依布茶卡–朝陽湖“熱河”;(5)浪強(qiáng)錯–打加錯–扎日南木錯–扎西錯“熱河”；(6)亞熱–森里錯–倉木錯–美馬錯–清澈湖構(gòu)“熱河”;(7)普蘭–扎達(dá)–扎西崗–印度河“熱河”。這些“熱河”上游的寬度、流量、能量較大,下游寬度、流量和能量較小,但是支流和撞擊點(diǎn)多,因而在中新世以來形成的青藏高原仍具活性的中下地殼與燕山期形成現(xiàn)已固結(jié)的塔里木、柴達(dá)木、四川、鄂爾多斯等盆地基底之間構(gòu)造邊界帶易于發(fā)震。李德威等(2009)首次提出下地殼存在“熱河”,主要依據(jù)強(qiáng)震沿著高熱流異常帶和磁異常帶的地塹(裂谷)分布,也是中新世以來金屬礦床成礦帶的集中部位,地殼尺度的線性熱隆伸展構(gòu)造顯著。大地電磁測深獲得的青藏高原東南部電性結(jié)構(gòu)(Bai et al.,2010)證實(shí)兩條與推斷的“熱河”吻合的下地殼非均勻流動通道。亞東–尼木–羊八井–錯那–雁石坪–沱沱河–玉樹–鮮水河–安寧河–小江“熱河”中下游呈串珠狀分布的玉樹、汶川、蘆山、魯?shù)椤⒕肮?、康定地震正是孕育在這種地殼熱活動構(gòu)造背景中。應(yīng)當(dāng)一體化開展“熱河體系”的地質(zhì)–地球物理–地?zé)屺C地震及其相關(guān)災(zāi)害–礦床–地殼(工程)穩(wěn)定性–環(huán)境變化的理論研究、系統(tǒng)勘查、效益評估和綜合利用。

(2) 垂向上的強(qiáng)弱邊界與多震層。近 20年來,確認(rèn)大陸地殼分層流變是超越剛性巖石圈板塊的突破口之一。陸內(nèi)地震不是脆性斷層造成的,而是流固耦合的結(jié)果。大陸下地殼因異常熱活動而富含流體的韌性層抗剪能力弱,由于盆山體系莫霍面傾斜,在重力、剪切力、慣性等作用下半固態(tài)–固態(tài)流變物質(zhì)易于發(fā)生順層流動。非均勻流動的下地殼與其上的固體殼層之間通過順層韌–脆性剪切帶與上地殼脆性層調(diào)節(jié),因此,具有順層滑脫性質(zhì)的中地殼韌–脆性剪切帶才具有吸熱儲能和熱能–應(yīng)變能轉(zhuǎn)換功能,當(dāng)積蓄的地震能量達(dá)到邊界條件或外界觸發(fā)而發(fā)生地震。過量熱能導(dǎo)致熱流體異常運(yùn)動,在非均勻活動地殼內(nèi)部和邊緣多點(diǎn)撞擊構(gòu)成震源層。脆性上地殼先期產(chǎn)生的斷層帶是震前熱流體良好的外溢通道,也是發(fā)震時優(yōu)先但不是唯一的災(zāi)能突然釋放區(qū)。

統(tǒng)計分析表明,青藏高原地震震源集中分布在15～40 km的深度范圍,其中30～33 km深度是一個優(yōu)勢層(羅文行等,2008,2012)。南北構(gòu)造帶南段多震層主要分布在地下10～15 km,33 km附近地震也較多。殼內(nèi)多震層與其下的低速層、低阻層密切相關(guān),青藏高原東部下地殼存在向東非均勻運(yùn)動的高溫富含流體的部分熔融層,與剛性的四川盆地形成鮮明反差,中下地殼波速、電性的各向異性與地表GPS的動向耦合特征反映了下地殼非均勻流動的方向。

(3) 橫向上的強(qiáng)弱邊界與撞擊點(diǎn)?；顒拥拇箨懴碌貧ご嬖谒木S非均勻流變特性,不僅垂向分層流變,而且橫向分層流變,還存在時間上的動態(tài)演變。下地殼“熱河”與兩側(cè)的固體巖塊之間存在流固作用,“熱河”的產(chǎn)狀、形態(tài)及其內(nèi)部固態(tài)、半固態(tài)流變物質(zhì)的溫度、流體類型與含量、黏滯性等決定了異常流動狀態(tài)和撞擊時的入射角和撞擊點(diǎn)位。從熱流物質(zhì)異常流動到爆轟圍巖,由連續(xù)變形運(yùn)動到加速突變運(yùn)動,在地殼、土壤圈、生物圈、水圈、大氣圈都有不同程度的動態(tài)響應(yīng)。地聲、火球、大氣甲烷含量的突變、碎屑狀拋射滑坡等說明中上地殼在富含甲烷、二氧化碳等熱流體的撞擊下可能伴隨甲烷爆炸。瞬時高壓沖擊波改變了震源體及周邊巖石的力學(xué)狀態(tài),甚至發(fā)生構(gòu)造和巖石重組,如假玄武玻璃的形成。主流線方向、強(qiáng)弱邊界產(chǎn)狀、熱流體入射角與撞擊點(diǎn)的關(guān)系決定了震源機(jī)理及其固體上地殼彈性波(縱波、橫波、表面波)的傳播方向、路徑和范圍,影響地震烈度分區(qū)。烈度圖等震線長軸方向一般平行于強(qiáng)弱邊界。主流線與強(qiáng)弱邊界平行形成走滑型(或側(cè)沖式)地震,玉樹、魯?shù)?、康定地震位于上述“熱河”的東北側(cè),應(yīng)屬于此類。主流線與強(qiáng)弱邊界直交形成逆沖型(包括仰沖式和俯沖式)地震,蘆山地震屬于逆沖型(或仰沖式)地震。主流線與強(qiáng)弱邊界斜交形成逆沖兼走滑型(或斜沖式)地震,汶川地震屬于此類,而且沿著龍門山從映秀主震區(qū)向北東方向,熱流體撞擊方向與強(qiáng)弱邊界之間的交角變小,走滑分量增大。

鄭勇等(2013)利用地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)采用層析成像方法和遠(yuǎn)震接收函數(shù)分析方法,獲得了南北構(gòu)造帶中段精細(xì)的S 波速度結(jié)構(gòu)、地殼厚度和泊松比分布狀況,顯示汶川、蘆山地震均位于地殼厚度和波速結(jié)構(gòu)劇烈變化梯度帶,地震深度處于從均勻波速結(jié)構(gòu)向非均勻波速結(jié)構(gòu)的過渡帶。魯?shù)?、景谷、康定地震產(chǎn)于與汶川、玉樹、蘆山地震類似并關(guān)聯(lián)的地殼分層流變構(gòu)造環(huán)境,但是橫向流變結(jié)構(gòu)有所不同,青藏高原活動弱地殼與四川盆地?zé)岷纳⒐探Y(jié)硬化的強(qiáng)地殼之間的構(gòu)造邊界在雅安至石棉一帶發(fā)生轉(zhuǎn)折,燕山期四川盆地與周邊造山帶同步盆山耦合,盆地NW側(cè)的盆山邊界呈NE-SW走向,SW側(cè)盆山邊界為NW-SE走向。中新世以來,從恒河盆地向北不均勻流入青藏高原的下地殼熱流物質(zhì),受到塔里木、柴達(dá)木盆地固結(jié)地殼的阻擋后轉(zhuǎn)向東流;沿著“熱河”支流大角度流向四川盆地的熱流物質(zhì)除了造成龍門山造山帶地殼活化、伴生仰沖型地震外,大量的熱流物質(zhì)受阻后轉(zhuǎn)向分流,一部分匯入東昆侖–西秦嶺構(gòu)造結(jié)外泄,沿著固結(jié)的鄂爾多斯盆地南部、東部和西部邊界流動,形成線性熱隆伸展地震活動帶;另一部分匯入帶動川滇菱形塊體向 SSE方向運(yùn)動的鮮水河–安寧河–小江“熱河”,“熱河”流向與兩側(cè)強(qiáng)度差異顯著的構(gòu)造邊界近于平行或呈小角度相交,在“熱河”轉(zhuǎn)彎或“河岸”突出部位易于發(fā)生側(cè)沖型或斜沖型地震。魯?shù)椤⒖刀ǖ卣鹬饕躈NW-SSE走向的鮮水河–小江下地殼“熱河”非均勻流動過程中半固態(tài)流變物質(zhì)側(cè)向撞擊強(qiáng)弱構(gòu)造邊界,物質(zhì)流變方向與等震線長軸平行,類似于玉樹地震,為走滑型(或側(cè)沖式)地震。景谷地震位于近南北向小江下地殼“熱河”的南緣,處于 NW-SE走向保山–耿馬“熱河”的結(jié)合部位,可能與小江下地殼“熱河”西側(cè)的側(cè)沖作用及其對保山–耿馬“熱河”北側(cè)硬塊的撞擊作用有關(guān)。

(4) 災(zāi)能(剩余熱能)的源、匯、釋(泄)與地震平靜期–活躍期轉(zhuǎn)換。從本質(zhì)上說,大陸下地殼四維非均勻流動是熱能源、匯、釋動態(tài)平衡過程。對于汶川、玉樹、蘆山、魯?shù)?、景谷、康定等地震和青藏高原的地震而?下地殼是災(zāi)能源區(qū),增量熱能從恒河盆地通過非均勻下地殼流動實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程輸送;中地殼是災(zāi)能匯區(qū),傳導(dǎo)至中地殼的下地殼熱能導(dǎo)致固態(tài)相變,轉(zhuǎn)變成應(yīng)變能;上地殼是災(zāi)能釋區(qū),當(dāng)中地殼應(yīng)變能積累到臨界狀態(tài),在下地殼“熱河”加速運(yùn)動作用下,所積累的應(yīng)變能通過上地殼斷裂活動和地表破裂釋放,發(fā)生系列地震;對于青藏高原“熱河”而言,地幔軟流圈層流和底辟是源區(qū),恒河盆地下地殼是匯區(qū),青藏高原及鄰區(qū)的“熱河”是泄區(qū)。還應(yīng)當(dāng)從時間上認(rèn)識熱能收支與災(zāi)害演變,對魯?shù)?、康定等地震有關(guān)“熱河”中下游而言,1981～2004年是災(zāi)害能量孕育期,不斷積累增量熱能,源、匯難分;2004年至今,通過跨年度干旱、潛熱及水氣蒸發(fā)、排氣、地震、拋射式滑坡、天然礦難等災(zāi)害活動不斷釋放剩余熱能,自從汶川地震以來總體上震級呈遞減之勢,剩余能量釋放強(qiáng)度減弱。

4 討論與結(jié)論

本文歸納如下5點(diǎn)仍有待深入探討的重要認(rèn)識:

(1) 地震能夠預(yù)測。理論上,地震是一種構(gòu)造現(xiàn)象,構(gòu)造是一種地質(zhì)現(xiàn)象,地質(zhì)是一種地球現(xiàn)象。地球如人,熱流似血。具有生命力的地球是在熱能作用下由熱流體非均勻運(yùn)動產(chǎn)生各種關(guān)聯(lián)現(xiàn)象,在開放的復(fù)雜地球系統(tǒng)中展現(xiàn)出能量–物質(zhì)動態(tài)演變規(guī)律。因此,從地球系統(tǒng)動力學(xué)角度認(rèn)識洋陸及其盆山構(gòu)造與建造的物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律和能量轉(zhuǎn)換過程,解析地震及其相關(guān)自然災(zāi)害的機(jī)理,能夠認(rèn)清地球多尺度動態(tài)演變規(guī)律,也是科學(xué)預(yù)測地震的指導(dǎo)思想和理論保證。實(shí)踐上,我國在20世紀(jì)70年代中期就成功地預(yù)報了海城地震和松潘地震。近年來筆者對蘆山、魯?shù)?、景谷、康定等地震作了長期和中期預(yù)測,說明地震是有規(guī)律可循的。我們不能只盯著震后都很難確定、更不知道是否連接到溫度大于 300 ℃的震源區(qū)的發(fā)震斷層,也不必?zé)o休止地爭論地震能否預(yù)測。針對我國目前仍然十分嚴(yán)峻的震情,當(dāng)務(wù)之急是聯(lián)合跨部門、多學(xué)科的專家切實(shí)開展地震科學(xué)預(yù)測,建立新型專群結(jié)合的群測群防體系,再創(chuàng)地震預(yù)測預(yù)報的輝煌。今后工作重心應(yīng)當(dāng)前移,在熱異常多災(zāi)區(qū)實(shí)施取熱減災(zāi)減排宏偉工程。

(2) 在創(chuàng)新地學(xué)思想指導(dǎo)下中長期預(yù)測了蘆山、魯?shù)?、景谷、康定等地震?992年以來,筆者提出了下地殼層流驅(qū)動盆山耦合的大陸動力學(xué)假說、軟流圈層流驅(qū)動洋陸耦合并制約盆山耦合的地球內(nèi)部系統(tǒng)動力學(xué)假說、地核和太陽熱能共同驅(qū)動地球多級物質(zhì)循環(huán)的地球系統(tǒng)動力學(xué)假說、熱流體撞擊地震成因模式和熱災(zāi)害鏈成因模式,并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了地震預(yù)測的思路、方法和步驟,分析了川滇菱形塊體東北部邊界構(gòu)造帶 2008年以來發(fā)生的串珠狀地震及其相關(guān)自然災(zāi)害與亞東–羊八井–玉樹–鮮水河–小江下地殼“熱河”異常運(yùn)動的關(guān)系。在熱構(gòu)造孕震環(huán)境下,根據(jù)熱災(zāi)害鏈的時空結(jié)構(gòu),結(jié)合災(zāi)能(剩余熱能)的源–匯–釋(泄)及其關(guān)聯(lián)的“熱河”地震空區(qū)分析,進(jìn)行地震的長期和中期預(yù)測。蘆山、魯?shù)椤⒕肮?、康定等地震的長期和中期預(yù)測就是按這一思路進(jìn)行的。

(3) 初步闡述了陸內(nèi)地震熱流物理綜合預(yù)測的原理、方法和步驟。按照多級物質(zhì)循環(huán)地球系統(tǒng)動力學(xué)假說,洋陸之間、盆山之間、流固之間、地氣之間、天地之間都存在物質(zhì)和能量的有序交換。不同溫度的熱作用導(dǎo)致地球固–液–氣相物質(zhì)轉(zhuǎn)換,熔融的低密度巖漿在浮力作用下向上流動不僅形成侵入巖,而且導(dǎo)致火山活動;固態(tài)、半固態(tài)流變物質(zhì)在重力作用下側(cè)向流動,形成順層韌性剪切帶,大陸下地殼順層韌性剪切帶與上地殼脆性破裂帶之間的韌–脆性轉(zhuǎn)換帶是地震能量積累和轉(zhuǎn)換區(qū),也是震源層。因此,不同級別的熱災(zāi)害鏈會出現(xiàn)熱流體異常及其各種關(guān)聯(lián)異常有序的時空結(jié)構(gòu),根據(jù)熱災(zāi)害鏈時空結(jié)構(gòu)及其能量聚散規(guī)律,可開展長中期地震預(yù)測;根據(jù)熱流體前兆異常及其關(guān)聯(lián)前兆異常時空強(qiáng)結(jié)構(gòu),可進(jìn)行短臨地震預(yù)測。如果在中期預(yù)測圈定的短臨地震預(yù)測區(qū)開展高精度動態(tài)監(jiān)測獲得精細(xì)連續(xù)的地震波速結(jié)構(gòu),并在臨震期實(shí)施地空聯(lián)合流動加密監(jiān)測并進(jìn)行災(zāi)情速報,將大幅提高地震預(yù)測水平,取得巨大的減災(zāi)實(shí)效。

(4) 根據(jù)熱災(zāi)害鏈的時空結(jié)構(gòu),進(jìn)一步分析我國西南和華北的地震形勢。筆者初步認(rèn)為,西南地區(qū)正在發(fā)震的熱流通道中 30多年積累的災(zāi)能大部分已經(jīng)釋放,從汶川地震到康定地震,震級有減小的趨勢,未來 3年內(nèi)向南漂動的川滇菱形塊體東北部邊緣帶“熱河”流域還可能發(fā)生2～3次里氏6.5±0.5級地震。此外,還要重視川滇菱形塊體東南側(cè)錯那–桑日–墨竹工卡–嘉黎–波密–察隅–保山–耿馬“熱河”的異動,未來的強(qiáng)震群發(fā)帶將轉(zhuǎn)移到東構(gòu)造結(jié)及其川滇菱形塊體西南部邊緣帶“熱河”流域。近期需要引起極度重視的是華北的震情,特別是東北的震情危急,熱災(zāi)害鏈時空結(jié)構(gòu)明顯(李德威等,2013b),近期氣象異常波動,已經(jīng)演變到短期地震預(yù)測階段。因此,在中長期預(yù)測區(qū)(李德威等,2013b)建立新型專群結(jié)合、群測群防地震預(yù)測體系,開展以熱流體前兆異常為主線的立體監(jiān)測和短臨綜合物理預(yù)測,已經(jīng)刻不容緩！

(5) 取熱減災(zāi)減排,是防災(zāi)減災(zāi)的根本途徑。地震不是彈性體內(nèi)的位錯,而是分層分塊分時非均勻流變系統(tǒng)中的熱流體撞擊。正如人體血液流動一樣,地球熱流體也發(fā)生非均勻流動,大陸下地殼“熱河”是具有剩余熱能的高溫系統(tǒng),熱以傳導(dǎo)、對流、輻射的方式向低能的中上地殼和大氣層傳播,經(jīng)過一定時間積累的增量熱能以災(zāi)害鏈的方式釋放。因此,熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變能、機(jī)械能的自然過程是成災(zāi)事件,熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能及其電能的人為過程則是造福工程。我們應(yīng)當(dāng)充分地認(rèn)識到主動取出剩余熱能變寶、被動釋放剩余熱能成災(zāi)的重要性,從“熱河”中系統(tǒng)開發(fā)地?zé)崮?特別是從震源層之上的干熱巖中抽取產(chǎn)生地震的剩余熱能,在“熱河”關(guān)鍵部位建設(shè)大型梯級地?zé)岚l(fā)電站,必定能夠從根本上減災(zāi)減排,快速走上可持續(xù)發(fā)展之路,推動人類與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展。

致謝:感謝審稿人鄧志輝研究員對非共識的寬容和對文稿的修改意見。本文是在與眾多地震專家的交流和指導(dǎo)的基礎(chǔ)上完成的。以此深切悼念為地震事業(yè)貢獻(xiàn)了畢業(yè)精力的李均之先生和趙玉林先生！

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