文/曾雄飛 曾燕

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地震前兆的流體動(dòng)力學(xué)理論研究
——獻(xiàn)給汶川地震八周年

文/曾雄飛 曾燕

0　引言

筆者在5.12汶川8級(jí)地震后，開(kāi)始投入地震基礎(chǔ)理論研究。我國(guó)地震學(xué)家錢(qián)復(fù)業(yè)、趙玉林，發(fā)現(xiàn)了地震前兆潮汐波的諧振-共振波，并同趙璧如等人發(fā)明了PS-100地電儀，在中國(guó)地震局的支持下建立了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)站，2004年開(kāi)始運(yùn)作。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，錢(qián)復(fù)業(yè)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)有快波和慢波，它們到達(dá)監(jiān)測(cè)站的波時(shí)差，決定震中距，共振波周期決定震級(jí)。這是地震理論和實(shí)踐的重大突破。

筆者的“八年抗震”，主要目標(biāo)就是探索以物理力學(xué)為基礎(chǔ)的地震機(jī)理，以及建立在物理定律基礎(chǔ)上的地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法。經(jīng)過(guò)八年的艱苦奮斗，終于建立了地震結(jié)構(gòu)爆裂動(dòng)力學(xué)理論、地震前兆的流體動(dòng)力學(xué)理論，揭示了潮汐波和地磁的異常擾動(dòng)主要同地震前兆活動(dòng)相關(guān)，以及地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的方法——共振胞（包）W/M臉譜法。

1　流體動(dòng)力學(xué)理論

1.1 地震結(jié)構(gòu)爆裂動(dòng)力學(xué)概要

筆者自2008年6月開(kāi)始探索地震理論，先后形成四篇論文，于2010年，由廣東科技雜志社結(jié)集出版《地震結(jié)構(gòu)爆裂動(dòng)力學(xué)理論》。隨后又寫(xiě)就《ON EARTHQUAKE MECHANANISM AND SHORT-TE RM AND IMPENDING PREDICTION》《論地震機(jī)理與地震預(yù)報(bào)》《地震共振包（RC）與短臨預(yù)報(bào)》，先后參加德國(guó)、中俄和俄中學(xué)術(shù)研討會(huì)。2014年底，惠州市三寶生物化學(xué)科技有限公司，開(kāi)始籌建惠州地震前兆監(jiān)察站，2015年春節(jié)后，引進(jìn)PS-100地電儀，并按照地震結(jié)構(gòu)爆裂動(dòng)力學(xué)理論要求，進(jìn)行了改進(jìn)。這一先進(jìn)的地震前兆監(jiān)測(cè)站已經(jīng)運(yùn)作了將近一年，取得了一批珍貴的地震前兆信息，證明上述理論是正確的，并為深化地震前兆理論提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

這里只介紹該理論所涉及的幾個(gè)重要概念。

地震結(jié)構(gòu)包體。它是地震能的儲(chǔ)體，下方是殼幔包體，主要地向地震結(jié)構(gòu)體供能，以及供能通道；上方是覆蓋巖層，以及地震進(jìn)入觸發(fā)階段后，形成地震能釋放的通道（爆炸煙囪）。圖1是地震結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)的示意圖。

圖1　地震結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)示意圖

地震爆發(fā)的力學(xué)條件。地震的爆發(fā)需要滿足力學(xué)條件，這就是地震結(jié)構(gòu)體內(nèi)的壓力必須超過(guò)上覆巖層的斷裂強(qiáng)度和重力之和。達(dá)至這個(gè)條件是地震進(jìn)入觸發(fā)階段的標(biāo)志。

共振胞（包）和爆炸煙囪。當(dāng)?shù)卣鸾Y(jié)構(gòu)體達(dá)到上述力學(xué)條件時(shí)，只要有附加作用力，就會(huì)引起上覆巖層的破裂，或是舊裂紋擴(kuò)大，這個(gè)過(guò)程是加載波和卸載波的作用過(guò)程，它們的疊加，便是共振波的形成過(guò)程，并形成共振胞（包）。地震要素都集中在共振胞（包）里：震中，震級(jí)，爆發(fā)時(shí)間以及地震前的預(yù)警信息等。圖2是2016-03-02印尼7.8級(jí)地震共振胞（包）成長(zhǎng)圖。

圖2　2016-03-02印尼7.8級(jí)地震共振包（胞）成長(zhǎng)圖

圖2說(shuō)明，共振波2月24日開(kāi)始形成，按照黃金周規(guī)則，即3月2日該地震將爆發(fā)。爆炸煙囪是地震能的釋放通道，2月27日開(kāi)始出現(xiàn)，28日至3月1日愈來(lái)愈接近地表，至3月2日達(dá)到峰值，達(dá)峰時(shí)間為03-02-09∶41∶18，即9.688h。

印尼蘇門(mén)答臘地震于 03-02-12∶49∶48，即12.830h爆發(fā)，距離爆炸煙囪達(dá)峰時(shí)間3.142h。這是地震震前的預(yù)警時(shí)間。

爆炸煙囪的成長(zhǎng)：QZ-2地電儀記錄到了，地磁儀也記錄到，并給出令人無(wú)比驚嘆的高頻共振波，預(yù)示著地震的爆發(fā)。

1.2流體動(dòng)力學(xué)概要

我國(guó)科學(xué)家很早注意到地磁與地震的關(guān)系，并借以預(yù)報(bào)地震。2015年10月，筆者發(fā)現(xiàn)，地球的地磁擾動(dòng)同地震前兆活動(dòng)密切相關(guān)性，可以應(yīng)用地震結(jié)構(gòu)爆裂動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行研究。地震結(jié)構(gòu)體十分巨大，無(wú)論是殼幔包體向地震包體輸送能量，或是地震包體接受到高能流作用發(fā)生破裂，物理量都將發(fā)生突躍，形成間斷面。圖3給出了QZ-2記錄到的2015-06-29至2015-07--25，地電阻率-時(shí)間波圖，地電阻率發(fā)生突跳，形成間斷面，反映地震結(jié)構(gòu)體內(nèi)沖擊波的形成，并向周?chē)慕橘|(zhì)傳播。

圖3　典型的地電阻率突跳（2015-06-29至2015-07-25）

求解一般的流體動(dòng)力學(xué)方程非常難，沖擊波方程就更難了。我們借鑒炸藥爆炸轉(zhuǎn)化過(guò)程爆轟波的研究成果，在壓力項(xiàng)中加進(jìn)磁壓，使之適用于磁流體的運(yùn)動(dòng)。筆者長(zhǎng)期在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行理論研究，并找到了分析解。地震爆裂依靠包體內(nèi)儲(chǔ)存的巨大的物質(zhì)能流，供能的穩(wěn)定性超過(guò)化學(xué)供能。因此用此方法研究地震前兆波，比研究爆轟波，有更好的條件。如何找到?jīng)_擊波波動(dòng)方程的穩(wěn)定解，可參汶川地震八周年學(xué)術(shù)研討會(huì)文集（《格物》）。

2016-01-24-10∶30∶30在阿拉斯加（59.658N/153.452W）爆發(fā)了7.1級(jí)地震。這個(gè)地震已經(jīng)被預(yù)測(cè)到。圖4和圖5是中國(guó)漠河臺(tái)和美國(guó)BRW臺(tái)典型的地磁前兆波圖。

圖4　中科院MH臺(tái)2016-01-23磁強(qiáng)-時(shí)間圖

圖5　美國(guó)BRW臺(tái)2016-01-23磁強(qiáng)-時(shí)間圖

通過(guò)對(duì)中國(guó)、美國(guó)和澳大利亞的28個(gè)臺(tái)站所記錄到的地磁資料，找到了震中距同快慢波時(shí)差的關(guān)系（見(jiàn)圖6），也求得了快慢波的傳播速度：快波速度——9368km/h；慢波速度——3964km/h。這比潮汐波共振波對(duì)應(yīng)的波速快得多。

圖6　阿拉斯加地震的震中源圖

地震震級(jí)：求得共振周期2.035h，計(jì)算出震級(jí)7.157級(jí)。本方法預(yù)測(cè)時(shí)，定為7.2級(jí)。另有一個(gè)幫助預(yù)測(cè)的條件，2016-01-20，鄰近的三個(gè)臺(tái)站，出現(xiàn)高磁場(chǎng)強(qiáng)度：BRW（H），1078NT；DED（H），898.2NT；CMO （H），1295NT。因此判定阿拉斯加地震一定會(huì)如期爆發(fā)。

2　地震預(yù)測(cè)

利用潮汐波的地震前兆預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)地震，我們已進(jìn)行過(guò)詳細(xì)研究。這里介紹地磁前兆波預(yù)測(cè)地震的方法。共振周期決定震級(jí)，共振胞成長(zhǎng)決定發(fā)震時(shí)間，同于潮汐共振波預(yù)測(cè)方法，不作介紹。這里討論最難的問(wèn)題，震中如何確定。

地震預(yù)測(cè)首先需要確定異常擾動(dòng)信號(hào)的歸屬問(wèn)題。確定歸屬有六種基本方法：

（1）判識(shí)擾動(dòng)信號(hào)的臉譜，也就是W/M的基本構(gòu)型（波形），前震有助于協(xié)助判識(shí)。

（2）讀?。ㄕ业剑┰撎卣鞑ǖ目觳ǖ竭_(dá)各個(gè)監(jiān)測(cè)站的時(shí)間（tk），如果接近相等，便初步確定這一擾動(dòng)的波源；時(shí)間愈是接近的范圍，便是震區(qū)的范圍。

（3）計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度，劃分震區(qū)范圍，震中一般處于磁強(qiáng)高的區(qū)位。

（4）觀察臉譜的相位，正相和反相，震中一般位于正反相之間的經(jīng)線或是緯線之間。

（5）利用其它監(jiān)測(cè)手段，如衛(wèi)星紅外，應(yīng)力應(yīng)變等綜合評(píng)估。

（6）讀取快波和慢波到達(dá)各個(gè)站的時(shí)間差（波時(shí)差Δt），由此計(jì)算出發(fā)出擾動(dòng)的波源（震中）到該站的距離（震中距ΔX），制作出匯圖，震前約一天（共振胞達(dá)尖，出現(xiàn)高頻共振波），此時(shí)的波時(shí)差最為準(zhǔn)確。這時(shí)，可以比較準(zhǔn)確地確定震中了。

按照W/M臉譜技術(shù)，2016-02-12對(duì)新西蘭將要發(fā)生的地震進(jìn)行了預(yù)測(cè)：震級(jí)6.4；震中-46.5/163；爆發(fā)時(shí)間初七至初九。預(yù)測(cè)的新西蘭震中位置，見(jiàn)匯圖7。

新西蘭地震于2016-02-15（初八）爆發(fā)，震級(jí)6.2，震中-49.1/164.5。預(yù)測(cè)同實(shí)際很接近。據(jù)震前6.843h的共振胞圖計(jì)算，震級(jí)應(yīng)為6.295級(jí)。看來(lái)，地震前一天，震中位置已經(jīng)完全確定，各要素計(jì)算，更加接近實(shí)際情況。

圖7　新西蘭地震預(yù)測(cè)的震中匯圖

地震前兆流體動(dòng)力學(xué)理論建立后，形成了W/M臉譜技術(shù)，幾乎每天都在預(yù)測(cè)地震，絕大部分獲得了證實(shí)。波時(shí)差序列與震中距序列可以將系列的地震預(yù)測(cè)納入其中。由于計(jì)算的工作量太大，發(fā)展電算是必然趨勢(shì)，地震預(yù)測(cè)就將快得多。地震的震前預(yù)警也將成為可能。

3　結(jié)論

在地震結(jié)構(gòu)爆裂動(dòng)力學(xué)理論和環(huán)太平洋32個(gè)地震前兆監(jiān)測(cè)站提供的監(jiān)測(cè)資料的基礎(chǔ)上，建立了地震前兆的流體動(dòng)力學(xué)理論以及地震預(yù)測(cè)的W/M臉譜技術(shù)，人類(lèi)開(kāi)始進(jìn)入地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的新時(shí)代。

致謝

筆者對(duì)以下單位和網(wǎng)站提供的實(shí)時(shí)地磁圖（資料）表示最為深切的感謝，他們的地磁臺(tái)共計(jì)28個(gè)，包圍了環(huán)太平洋，為筆者研究地震前兆理論提供了巨大的實(shí)驗(yàn)支持：

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所-空間電磁環(huán)境研究室IGGCAS@2006；

美國(guó)http://geomag.usgs.gov/plots/；

澳大利亞geomag@ga.gov.au。

作者簡(jiǎn)介：曾雄飛（1938-），男，研究員，1963年北大6年制本科，任職于惠州市三寶生物化學(xué)科技有限公司，從事原子構(gòu)造、宇宙起源、生命生物、營(yíng)養(yǎng)醫(yī)學(xué)、地震等基礎(chǔ)理論以及它們的應(yīng)用研究工作；曾燕（1977-），女，助理工程師，本科，任職于惠州市三寶生物化學(xué)科技有限公司，從事生物技術(shù)、新產(chǎn)品研發(fā)、地震監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)研究工作。