对国际地震预报委员会（民防）“可操作性地震预报”报告的评论＊

Stuart Crampin

1）British Geological Survey，Edinburgh，United Kingdom

2）University of Edinburgh，School of GeoSciences，Edinburgh，United Kingdom

叔本华（1788—1860）

引言

“可操作性地震预报：发展现状和使用手册”由ICEF出版［1］。2009年4月6日意大利中部拉奎拉（L’Aquila）发生M6．3破坏性地震。地震后，意大利罗马民事保护部组织召开了ICEF会议，目的在于在发生意大利中部的6．3级拉奎拉破坏性地震后，为意大利“可操作性地震预报”提供建议和指导。“可操作性地震预报的目标就是给公众提供地震危险性信息，用于在潜在破坏性地震来临之前作出决策”，在此，“有效利用概率预报所面临的一个颇具挑战性的突出问题就是将概率预报转化为低概率环境下的决策”（ICEF报告摘要，见文献［2］）。来自9个国家的专家调研了6个地震活跃国家的地震预报程序，引证了将近500篇文献，经过严密论证，提交了一份长达77页的地震预报调研报告。报告提出了13条建议［1］，如表1所示。委员会旨在这份全面的调研报告“不仅仅适用于意大利，也适用于其他地震活跃地区，在这些地区，可操作性地震预报可能很有必要”。如上所述，可操作性地震预报的依据在于在低概率的环境下做出决策［1］。因为报告得出结论称：“该委员会还没有识别出一种被证实既可靠又有技术含量的大震短期预测方法”，因此，低概率的环境是确定无疑的。

人们可能希望未来几年之内这个全面且看似有根有据的报告是确定性的。然而，委员会忽视了流体－岩石形变的新认识，这是地球物理学中的一个新兴学科［3，4］。这种新认识论证了剪切波分裂监测到了地震发生前的几乎所有原地岩石的应力累积。这意味着能够在高概率的环境下应力预报即将来临的大地震的时间、震级以及断层破裂位置［5－7］。应力预报是指在高概率的环境下进行预报，而不是强调所采用的形式不同。应力预报地震是处于高概率而不是低概率的环境下的，应力预报地震的能力改变了ICEF报告中的观点。

表1 ICEF报告的提议［1］

1 地球物理的一个新兴学科：对流体－岩石变形的新认识

基于小震群的剪切波沿应力方向分裂（SWS）的全球观测以及勘探行业的反射法勘探，记录到了所有表面完整无破裂的岩石中约1．5%到约4．5%剪切波速度各向异性（SWVA）：即结晶岩、沉积岩、火成岩、变质岩、高孔隙度岩石、低孔隙度岩石、固结岩、松散岩体［4］。图1是剪切波分裂的示意图。各向异性的对称性表明剪切波分裂的快波水平偏振是由沿应力取向排列的含饱和液体近似直立微裂纹的分布引起的［4］。平行裂纹的裂纹密度是SWVA比例的百分之一，图2左侧微裂隙图像表示了裂隙密度的范围（CD＝约0．015到约0．045）。性完全不同于传统亚临界地球物理学，在认识这些新特性时，需要转变观念才能够接受。因此，基于传统亚临界地球物理学的经验，地球物理学的这门新兴学科会引起争议，这些新特性不易被人们接受。Jordan和Jones［11］对 Crampin［5］关于ICEF 报告［12］的早期评论的回复证明，也许叔本华所说的真理第二阶段中的强烈反对是合理的。

图1 地壳中遍布多数岩石的沿应力取向排列的含饱和流体微裂纹传播的剪切波分裂示意图（修改自文献［8］）

图2是可靠的。它表明除了严重破碎的岩床，几乎所有原岩遍布着沿应力取向排列的充满流体处于破裂临界状态的微裂纹，流体饱和的裂纹在空间上排列得如此密集，一旦遇到小的扰动，就会发生失稳（在断裂和地震中）。破裂临界状态会在裂纹密度（对于沿应力取向排列的裂纹）的渗透阈值达到0．55时出现，大量的裂纹造成了渗透路径的存在［9］。这种濒临失稳的现象形成了导致确定性紊乱的临界系统，是物理学的一门新兴学科［10］（地球物理学的一门新兴学科），这门新兴学科给传统的亚临界地球物理学赋予了全新的特性［3］。表3中所列的证据支持在传统亚临界地球物理学中无法解释的这门新兴学科。

表2中列出了图2中隐含的新特性。这些新特性包括：自相似性、可监测性、可计算性、可预测性、原则上还包括可控性、普适性以及极度（蝴蝶翅膀）敏感性。这些新特

图2 均匀分布、相互平行、扁平状、大小相等并具有相同百分比各向异性的裂纹的剪切波速度各向异性的观测百分比示意图，ε是裂纹密度，a为单位立方体的裂纹半径。平行裂纹的破裂临界渗透阈值为ε＝0．055，裂纹分布得如此紧密以致于存在小的扰动，就会发生失稳 （修改自文献［8］）

2 监测流体－岩石形变和应力预报地震

剪切波分裂对于裂纹形状的成像观测可用来监控应力对原岩的影响［4］。剪切波分裂观测的解释证明地壳中应力的增大主要是源自于构造板块边缘岩浆的产生，板块的俯冲以及板块的相互作用。在最初阶段，应力增大现象是一般性的、普遍性的，因而我们无法识别出将要释放地震应力的断层。累积的应力会改变贯穿受压岩体的裂纹纵横比，直到微裂纹的几何尺度开始接近破裂的临界水平。直到那时，应力场才能识别出即将破裂的断层平面的弱化，微裂纹开始向最终断层破裂处聚结，才开始出现应力释放［4，14，15］。地球是非常不均匀的，应力积累极度不规则。如果应力在较小岩体上积累，则聚集速度会很快，但是最终的地震震级不会很大。如果应力在较大岩体上积累，则聚集速度会较慢，但是最终的地震震级会较大。因此，应力变化的持续时间和地震震级的大小是自相似的（P1，表2）。因此监测岩体周围的应力变化能够应力预报将要发生的地震的时间、大小，在某种情况下还能应力预报发震断层的位置。

通过 对 冰 岛M1．7 级 震 群事 件［4］到2004年M9．2级苏门答腊－安达曼（Sumatra－Andaman）地震（离震中约10 500km的冰岛观测到了剪切波分裂的变化［9］）等15个地震的回溯性研究，可以看出地震前应力长时间积累和临震前应力释放（裂纹聚集）的特征模式。其中，运用冰岛的地震数据，在地震发生前3天成功地应力预报了冰岛M5．0级地震［6，7］。这次地震被称为首次科学预报的地震［6，7］。

只要剪切波分裂成为常规的监测工作，成功预报地震就得以重复实现。然而，小震群过于稀少，几乎不能用于剪切波分裂的可靠常规应力预报，冰岛特殊出露的中大西洋洋脊转换断层一直持续有地震活动是个例外［24，28］。

表2 屈从沿应力取向排列的含饱和液体的微裂纹地壳的地球物理学的新兴学科给传统的亚临界地球物理学带来了新属性

3 钻孔应力监测站常规应力预报的前景

为了避免应力释放和风化异常的影响，监测原岩中应力引起的剪切波分裂变化需要在近地表下方；监测点的深度必须低于垂直应力σv大于水平应力σh的深度（约1 000m）。这就意味着主应力轴的方向与σv沿深度增加的方向一致，所以地表的观测能够直接阐明剪切波分裂时间延迟［16］。

表3 支持各向异性弹性模式形变的证据和可计算的对于压力敏感的微裂纹岩体的地球物理学的新兴学科

可靠的常规应力预报需要在三井孔（1 000～1 500m）应力监测站（SMS）使用井下轨道式振动器（DOV）产生沿特殊应力方向和入射角的剪切波井间地震［29］。应力监测站典型 连接中大西洋洋脊的胡萨维克－弗雷特（Húsavík－Flatey）转换断层的钻孔，位于冰岛北部的特殊出露处，尽管没有最优的观测几何形态，却展现出了特殊的灵敏度。500m深度处水平传播超过315m的记录观测到了7种异常，包括P波和剪切波分裂的走时异常，剪切波速度各向异性异常以及GPS南北东西方向异常以及位于胡萨维克—弗雷特断层附近一口水井的水深变化异常。这些异常由一个小震群引起，该震群所产生的能量相当于一个距离格雷姆赛梯度带（Grimsey－Lineament）转换板块70km 震级为3．5的地震，这一异常距离是常规震源尺度的数百倍。

这种极度敏感性意味着单个三井SMS就能监测到距离最远可达到1 000km的M5级地震前的应力变化［19］。因此在意大利中部建立单个SMS有潜力应力预报意大利境内所有破坏性地震（M≥5）的时间和震级大小。以我们目前对于这种现象的认识来看，应力预报断层破裂的位置需要当地前兆效应的解释。然而预报即将发生的大地震，需要对于一些容易忽视的现象作出切合实际的解释。在冰岛M5地震的预报中，我们就对这些现象作出了正确的解释。冰岛那次成功应力预报的M＝5地震的断层破裂位置就是根据6个月前一次M＝5．1地震断层面上的持续地震活动估算出来的［6，7］。

4 应力监测火山爆发

火山爆发前也观测到了SWS变化的应力积 累［24，30，31］，Gerst 和 Savage［32］建 议 可以将应力预报作为预报火山爆发的一种手段。这并不意外，因为岩浆喷出地表前，火山口肯定会发生破裂，就会出现类似地震前的应力累积现象。火山爆发前SWS测量的例子已经有几个，它们并不能证实火山爆发前应力释放（裂纹贯通）会减少。

Volti和Crapmin［24］的观测被认为是去监测中大西洋洋脊2年的扩张周期。2006年，格嘉普（Gjàlp）火山沿着裂缝喷发时，瓦特纳（Vatnajökull）冰原下方已经出现了5个月的应力积累增大。在2006年冰岛研讨会上，我的报告中提到了火山爆发前一个月出现的SWS延时增大的现象［33］，这实际上应力预报了这次地震的爆发。然而那时我们对于SWS的认识才初步形成，并没有将其与火山爆发联系起来。火山爆发后，冰岛所有台站归一化后的SWS延时结果显示出了2ms／km／a（应力释放）的减少，这种现象持续了两年。

意大利SMS的建立将给应力预报维苏威火山（Vesuvius）和埃特纳火山（Etna）的爆发提供机会．

5 结论

表1中所列的ICEF报告的13条提议基于错误的假设“可靠，技术过硬的确定性地震预测目前为止是不可能的”［1］得出的。在这篇评论中，我已经列出来了意大利中部3井孔SMS处的SWS观测如何能够监测离SMS 1 000km以内的所有破坏性地震（M≥5）前的应力积累和应力释放（裂纹贯通）［19］。这意味一个昂贵的SMS（最好是横贯整个意大利安装两个）的建立能够应力预报意大利境内所有潜在的破坏性地震的时间、震级，在一定条件下还能预报断层破裂的位置。西西里埃特纳地震和火山的监测可能需要另一个SMS。

需要注意的是，在澳大利亚墨尔本举办的地球内部物理和地震国际委员会（IASPEI）科学大会第4项议案认可和通过了最终的ICEF报告［1］。因此，根据本文ICEF报告不可靠性的论证，IASPEI第4项决议需要修改。

致谢

这项工作的发表得到了英国地质调查局的批准（NERC）。

原题：Comment on the report“Operational Earthquake Forecasting”by the International Commission on Earthquake Forecasting for Civil Protection。

（中国地震局地球物理研究所 王生文 译；陈学忠 校）。

（译者电子信箱，王生文：wangshengwen112＠163．com ）

［1］Jordan T H，Chen Y－T，Gasparini P，et al．Operational Earthquake Forecasting：State of Knowledge and Guidelines for Utilization．Annals of Geophysics，2011，54（4）：315－391；doi：10．4401／ag5350

［2］Jordan T H，Chen Y－T，Gasparini P，et al．Operational earthquake forecasting：State of knowledge and guidelines for implementation．Findings and recommendations of the International Commission on Earthquake Forecasting for Civil Protection，released by the Dipartimento della Protezione Civile，Rome，Italy，2October，2009

［3］Crampin S．The New Geophysics：a new understanding of fluid－rock deformation，In：Eurock 2006：Multiphysics coupling and long term behaviour in rock mechanics，A Van Cotthem，R Charlier，J－F Thimus，and J－P Tshibangu，eds．，Taylor and Francis，London，2006：539－544

［4］Crampin S，Peacock S．A review of the current understanding of shear－wave splitting and common fallacies in interpretation，Wave Motion，2008，45：675－722

［5］Crampin S．A second opinion on“Operational earthquake forecasting：some thoughts on why and how”，by Thomas H Jordan and Lucile M Jones．Seism．Res．Lett．，2011，82：227－230

［6］Crampin S，Volti T，Stefánsson R．A successfully stress－forecast earthquake．Geophys．J．Int．，1999，138：F1－F5

［7］Crampin S，Gao Y，Peacock S．Stress－forecasting（not predicting）earthquakes：A paradigm shift？．Geology，2008，36：427－430

［8］Crampin S．The fracture criticality of crustal rocks．Geophys．J．Int．，1994，118：428－438

［9］Crampin S，Zatsepin S V．Modelling the compliance of crustal rock：II－response to temporal changes before earthquakes．Geophys．J．Int．，1994，129：495－506

［10］Davies P．The New Physics：a synthesis，In：The New Physics，P．Davies（ed．）．Cambridge Univ．Press．，1989：1－6

［11］Jordan T H，Jones L M．Reply to“A second opinion on‘Operational earthquake forecasting：some thoughts on why and how’，by Thomas H Jordan and Lucile M Jones＇，by Stuart Crampin”．Seis．Res．Lett．，2011，82：231－232

［12］Jordan T H，Jones L M．Operational earthquake forecasting：some thoughts on why and how．Seis．Res．Lett．，2010，81：571－574

［13］Gutenberg B，Richter C F．Magnitude and energy of earthquakes．Annali di Geofisica，1956，9（1）：1－15；republished in Annals of Geophysics，2010，53（1），doi：10．4401／ag－4588．IASPEI，2011，www．iaspei．org／resolutions／resolutions＿2011＿melbourne．pdf

［14］Gao Y，Crampin S．Observations of stress relaxation before earthquakes．Geophys．J．Int．，2004，157：578－582

［15］Wu J，Crampin S，Gao Y，et al．Smaller source earthquakes and improved measuring techniques allow the largest earthquakes in Iceland to be stress－forecast（with hindsight）．Geophys．J．Int．，2006，166：1293－1298

［16］Crampin S．Calculable fluid－rock interactions．J．Geol．Soc．，1999，156：501－514

［17］Angerer E，Crampin S，Li X－Y，et al．Processing，modelling，and predicting time－lapse effects of overpressured fluid－injection in a fractured reservoir．Geophys．J．Int．，2002，149：267－280

［18］Crampin S，Chastin S．A review of shear－wave splitting in the crack－critical crust．Geophys．J．Int．，2003，155：221－240

［19］Crampin S，Gao Y．The New Geophysics，Terra Nova，submitted．2012a

［20］Lorenz E N．Predictability：does the flap of a butterfly’s wings in Brazil set off a tornado in Texas？．Ann．Mtg．Am．Assoc．Adv．Sci．，Washington D．C．1972

［21］Crampin S，Chastin S，Gao Y．Shear－wave splitting in a critical crust：III－preliminary report of multivariable measurements in active tectonics．J．Appl．Geophys．，2003，54：265－277

［22］Crampin S，Volti T，Chastin S，et al．Indication of high pore－fluid pressures in a seismically－active fault zone．Geophys．J．Int．，2002，151：F1－F5

［23］Crampin S，Peacock S，Gao Y，et al．The scatter of time－delays in shear－wave splitting above small earthquakes．Geophys．J．Int．，2004，156：39－44

［24］Volti T，Crampin S．A four－year study of shear－wave splitting in Iceland：2．Temporal changes before earthquakes and volcanic eruptions，In：New insights into structural interpretation and modelling，D．A．Nieuwland，ed．，Geol．Soc．Lond．，Spec．Publ．，2003，212：135－149

［25］Crampin S，Volti T，Stefánsson R．Response to“A statistical evaluation of a‘stress－forecast’earthquake”by T Seher and I G Main．Geophys．J．Int．，2004，157：194－199

［26］Crampin S，Gao Y，Santis A．A few earthquake conundra resolved，Terra Nova，submitted．2012

［27］Crampin S，Gao Y．Plate－wide deformation before the Sumatra－Andaman Earthquake．J．Asian Earth Sci．，2012，46：61－69；doi：10．1016／j．jseaes．2011．1015

［28］Volti T，Crampin S．A four－year study of shear wave splitting in Iceland：1．Background and preliminary analysis，In：New insights into structural interpretation and modelling，D．A．Nieuwland，ed．，Geol．Soc．Lond．，Spec．Publ．，2003，212：117－133

［29］Crampin S．Developing stress－monitoring sites using cross－hole seismology to stress－forecast the times and magnitudes of future earthquakes．Tectonophysics，2001，338：233－245．Note updated geometry in online version

［30］Miller V，Savage M．Changes in seismic anisotropy after volcanic eruptions：evidence from Mount Ruapehu．Science，2001，293：2231－2235

［31］Bianco F，Scarfi L，Del Pezzo E，et al．Shear wave splitting changes associated with the 2001volcanic eruption on Mt Etna．Geophys．J．Int．，2006，167：959－967

［32］Gerst A，Savage M．Seismic anisotropy beneath Ruapehu volcano：A possible eruption forecasting tool．Science，2004，306：1543－1547

［33］Stefánsson R．Advances in earthquake prediction，Springer－Praxis Books，New York，2011：91