哈萨克斯坦地震生物前兆现象观测和地震预测研究现状＊

高小其 刘耀炜 热甫克提 杨晓芳聂晓红 鲁 娜 梁 卉 向 阳

1）新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐830011 2）中国地震局地壳应力研究所（地壳动力学重点实验室），北京100085

综述与评述

哈萨克斯坦地震生物前兆现象观测和地震预测研究现状＊

高小其1）刘耀炜2）热甫克提1）杨晓芳1）聂晓红1）鲁 娜1）梁 卉1）向 阳1）

1）新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐830011 2）中国地震局地壳应力研究所（地壳动力学重点实验室），北京100085

从哈萨克斯坦地震生物观测的发展历史入手，简要介绍了哈萨克斯坦地震生物观测网的现状，地震生物观测的对象与方法，地震生物观测的信息采集内容等；归纳了利用地震生物行为资料开展地震预测的一般思路和方法；对比了中国和哈萨克斯坦对地震生物观测认识的差异等；最后，阐述了计划在新疆地区建立专业地震生物观测站的思路。

哈萨克斯坦；地震；生物观测网；短临异常；地震预测

引言

几十年来，我国曾形成了一支较健全的群测群防队伍，他们多年来坚持观测和收集动物习性、地下水、地声、地光等宏观异常，并及时向上级地震部门汇报，这些来自民间的异常信息在地震预测方面也发挥了积极有效的作用。如1975年2月4日辽宁海城7．3级地震和1976年四川松潘-平武7．2级地震的具有减灾实效的地震预报，地震前大量出现的地下水和动物宏观异常现象，就为地震短期、临震预报的发布提供了决定性依据；2008年3月21日新疆和田7．3级地震后的现场工作中，现场工作队就搜集到震前出现了9种、近1 114起宏观异常现象；汶川8．0级地震后，中国地震局专门下发了“关于加强宏观异常收集报送和核实工作的紧急通知”，成立了专门的工作组，以便严密监视全国地震形势的发展，充分发挥群测群防的作用。目前，全国范围内地震宏观观测点数以万计；但由于种种原因，各地不同测点间宏观观测的方法、要求和判定依据等差异很大，也缺乏动物行为的背景对比资料，更缺少不同类别的动物与地震事件之间关系的系统性研究。

包括哈萨克斯坦在内的中亚5国是世界大陆地震活动最强烈的地区之一，也是世界从事地震生物（动物）前兆研究的发源地。自1966年塔什干地震以来，处于帕米尔-天山地震带及科彼特塔格地震带的中亚各国地震学者为了防御和减轻地震自然灾害，相继建立了15个地震研究所和地球动力学及地震预报实验场，开展了地震地下流体、地球物理和地球生物学的综合前兆观测和地震预测理论与方法的研究。在长期地震前兆探索中，积累了极为丰富的资料和宝贵的经验，在各国中强地震预报中发挥了十分重要的作用。中亚生物（动物）前兆研究规范而系统，在世界上具有深远的影响［1-3］。在中亚诸国中，哈萨克斯坦的南准噶尔试验场、阿拉木图试验场、卡拉套试验场的地震生物（宏观）前兆研究已经40多年，积累了大量震例资料，值得我们学习和借鉴。

笔者2013年12月10～30日，随国家外专局派出的专家组赴哈萨克斯坦进行了为期21天的“哈萨克斯坦地震生物观测技术培训”，初步掌握了地震生物前兆监测的基础理论与用生物行为异常预测地震的震例，实地查看了哈萨克斯坦地震研究所的5个生物综合观测站，进行了观测、数据录入和异常判定的地震生物观测实践；参加了哈萨克斯坦地震研究所的月会商会，对哈萨克斯坦地震生物的监测与地震预测现状有了一定的了解。

中国地震局的科技发展规划指明，今后将全面推进地震监测预报方面的国际合作与技术交流，因此，对哈萨克斯坦地震生物观测现状进行综合介绍，对于促进中哈两国防震减灾领域的交流与合作，无疑具有重要的促进意义。

1 地震生物观测网

1．1 基本情况

目前，哈萨克斯坦地震研究所的地震前兆监测方法有地下流体（水物理、水化学）、地球物理（地磁、地电）、形变（形变、钻孔应变）、地震生物（动物）4大前兆学科。其中，地球物理有17个站点，地下流体有12个站点，形变有7个站点，地震生物有5个站点，因此，从观测台站来看，地震生物排在第4位。但是，从日常监测台项来看，地震生物观测则以35台项排在前兆测项的第二位。

哈萨克斯坦地震生物的观测始于20世纪70年代。40多年来，哈萨克斯坦地震生物的观测也和其他前兆监测一样经过了初期建网、系统清理、政策调整和优化提高等4个阶段，由多达65种生物和十多个观测站，逐步形成了现有的包含有10多种生物类别和5个观测站的独一无二的地震生物监测系统。并从此开创了基于地球物理、地球化学、生物学、数学和计算机技术等跨学科的“地震生物学”［4］。

哈萨克斯坦地震生物观测的发展史，从侧面反映了前苏联在该方面研究及发展的历程。采用统一的布点原则、统一的观测方法、统一选配仪器、统一使用新技术等进行观测和分析。

1．2 观测网概况

哈萨克斯坦目前有地震生物观测站5个，依次是喀扎奇卡、波特萨德、米杰沃、齐立克和布伦黛生物观测站，分布在阿拉木图地震预测试验场的φ＝42°～44°和λ＝75°～80°地震危险区域内（表1）。其中，喀扎奇卡、波特萨德、米杰沃生物观测站位于未来7．5～8．0级地震危险区，齐立科和布伦黛生物观测站位于未来6．0级地震危险区［5-7］。

1．3 观测站建设的基本要求

依据历史地震活动性、地震地质等资料，划定未来中、长期可能发生6级以上地震的危险地区；在该危险区内，选择那些人为干扰影响最小化的地点，建设地震生物观测站。

鉴于生物观测的特殊性，对于地震生物观测还需要遵循如下要求：

（1）在地震危险区选择的观测点面积应当适当大，足以容纳所饲养的观测对象；

（2）一般优先考虑当地自然存在的生物种类；

（3）确定生物的种类、性别、年龄和数量，以便能获得足够数量和有意义的观测数据；

（4）为使观测客观，可采用不间断模式记录生物活跃度的自动化综合观测系统；

（5）便捷、不间断的通信保障也是观测的基础；

（6）断层距离生物监测站的距离一般应小于60 km。

1．4 生物观测的对象和方法

1．4．1 生物观测对象

目前，哈萨克斯坦地震生物观测对象主要有豪猪、兔子、蛇、蜥蜴、壁虎、囊鳃鲶鱼、虎皮鹦鹉、鸽子、矮脚鸡等，其中的每一种生物类别，都对不同的外部因素具有选择性敏锐反应。为了在不同生物观测站获得能够对比的数据，在每个生物观测站都确定了动物的标准类别和数量；表2为哈萨克斯坦生物观测站及生物类别组成和数量。

为了获得昼夜不间断的信息，建立了统一的目测监测方法、仪器自动化记录方法和生物数据处理软件。

监测对象数量由于动物的产子、生病和自然死亡等发生变化时，将从每年备份的生物中进行更换和补充；备份动物为哈萨克斯坦地震研究所某一最大生物观测站饲养；动物从野生、自然中捕获；如果定期没有更换备份的动物，备份动物将放归大自然；下次需要备份时再捕捉新个体。

1．4．2 生物观测方法

生物观测的核心理念是把动物当作“生物传感器”来记录信息；因此，进行观测时强调不同生物试验场观测的同步性和客观性，观测必须为非侵害性的方法，即观测进行时，必须排除操作人对生物对象活动的干扰。为此，一般采用不对动物行为产生影响的照相和机械传感器。根据动物习性，观测方法分为目测观测和仪器自动观测两类［8］。

表3为开展目测观测方法的台站及项目，表4为开展仪器观测方法的台站及其观测记录项目。

1．4．3 目测观测

齐力克、波特萨德、喀扎奇卡、布伦黛和米杰沃生物观测站，对半自由条件下的家畜动物、观赏动物和野生动物进行目测观测。

为了白天和夜晚都能观测到动物的活跃情况，目测观测的动物组成类型是经过筛选和专门配对的。这种观测研究方式在动物学中很普遍，因此，也适用于生物地震预测的研究。

为了正确饲养和照看生物观测站不同类别的动物，哈萨克斯坦地震研究所制定了十分接近被观察动物野外生存自然条件的《生物观测技术规范》，各台站必须严格遵守。比如，动物的喂养时间取决于动物的类别和昼夜活跃类型；对于黄昏和夜晚活跃类型的动物（豪猪、东方红沙蛇、囊鳃鲶鱼）在傍晚时喂养，对于白天活跃类型的动物则在早间或者白天进行喂养。

生物观测信息栏填写下列参数：监测点、动物类别、动物性别、个体数量、观测者姓名、观测日期、监测时间、动物位置（鸽子、豪猪、鱼、虎皮鹦鹉、矮脚鸡、蛇）、运动活跃度（鸽子、豪猪、鱼、虎皮鹦鹉、矮脚鸡、蛇）、进食活跃度（鸽子、豪猪、鱼，虎皮鹦鹉、矮脚鸡、蛇）、声音活跃度（、鸽子、豪猪、矮脚鸡、蛇）、个体间相互态度（鸽子、鱼、豪猪、鹦鹉、蛇、矮脚鸡）、对刺激因素的反应（鱼、豪猪、蛇）和备注等。

记录反应时观测员本身就是刺激因素。如果动物对观测者的到来没有表现出兴趣，那么反应为中立性。但是由于不同原因，包括强震临近，生物发生情绪激动时可能惶恐不安，并且表现出个体之间的攻击性和对外的攻击性等行为迹象。

在备注中标注动物生病的迹象、瘟疫、死亡、生育、脱皮换毛（蛇）、转运到其他生物监测站、没有饲料等等。

1．4．4 仪器自动化观测

大部分的生物行为异常出现在地震前最后的几天和几小时，因此，连续24 h的不间断自动化观测，将能获得更多的地震生物信息。

（1）虎皮鹦鹉

虎皮鹦鹉声音活跃度采用“RZA-1”型声音活跃度观测仪观测，该仪器以综合声音活跃度和高频部分的声音活跃度两种模式记录虎皮鹦鹉的声音活跃度［9-10］。

虎皮鹦鹉的运动活跃度采用“RDA-P”型运动活跃度观测仪观测，该仪器使用了触碰杆和小弹簧式的机械传感器，这也是鸟类学家在试验研究中经常使用的方式。触碰杆安装在鸟笼的对角，鸟类落杆和起飞推开杆时都会进行计数。一个小时的计数反映了虎皮鹦鹉的综合累加运动活跃度。

（2）蛇、蜥蜴

蛇的运动活跃度采用“DA-1”型运动活跃度观测仪观测，该仪器借助光传感器来记录蛇和蜥蜴在饲养箱不同单元段通过的次数和移动时间。

（3）穴居兔子和笼子里兔子

皮肤是生物与外界接触的组织，第一时间接受到外界的影响。通过观测表皮的生物活跃点电流变化来提取异常。哈萨克斯坦地震研究所自1997年开始观测家兔导电率活跃度，一种放养到地下穴中，一种放在笼子里养殖。为了最大限度地减少人为影响，每天早上先把兔子提前抱出来（3只笼子里的，6只放养的），在实验室放置一段时间，使其适应环境，然后使用“Zona”电流表在其耳部穴位上选取3个点进行电流及电阻的测量，计算其导电率活跃度。

1．4．5 气象辅助观测与特殊环境条件

（1）气象观测

动物一些活跃度参数的变化，可能是前兆异常，但也可能是气象因素所导致，因此，为剔除气象因素干扰，必须知道气象因素的不同幅度变化，能引起的动物行为变化各偏离正常昼夜背景值、月背景值、季度背景值和年背景值多少；为此，每个生物观测站都进行气象三要素的实时观测。

此外，蛇冬眠时洞穴中的温度、饲养箱和水族箱中的干湿温度都是每间隔3 h观测一次。

（2）冬眠动物的特殊环境条件

大量的震例资料表明，冬季发生的强震前夕，发现蛇和蜥蜴会从冬眠状态中苏醒，或从冬季掩蔽所里迅速逃离出来，迁徙到未来的灾害区以外。因此，秋冬季观测爬行类生物的冬眠情况，有可能对短期预测提供宝贵的信息。但在自然条件下，爬行类是在啮齿类动物的洞穴、乱石堆、地缝中过冬的，冬季隐蔽的生活方式使得24 h连续观测变得困难。

为了监测冬眠生物的冬眠状态，所有生物监测站都在地面以下1．5 m的深处建了冬眠室，监控摄像机可以连续观测冬眠蛇或蜥蜴冬眠状态、异常行为等现象。

1．5 地震生物观测的信息采集与处理

1．5．1 信息采集时间

进行目测监测时，一般规定为每3 h观测1次，即每天的03、06、09、12、15、18、21、24时观测。当发现生物出现异常行为的迹象时（不安、抑郁、紊乱、昼夜规律性颠倒、不同类别动物表现的群体性等），转换为每小时观测1次的模式，直到查明引起反应异常的原因或异常结束为止。

1．5．2 信息采集内容

生物观测信息包括以下内容：观测站、生物类别、性别、个体数量、观测日期、观测时间、生物所在位置、生物运动活跃度、进食活跃度、声音活跃度、个体间相互态度、对刺激因素的动物反应、气象三要素和观测人员。

生物观测的信息采集内容记录在专门记录本上，并同时录入到分类别的目测监测信息数据库中。

如果在监测过程中，发现有异常行为的迹象，有关的信息连同具体的观测时间会记录在记录册的备注栏内；同步录像也将保存。

1．5．3 信息处理

采集的生物观测信息录入到数据库中后，根据数据库中生物活跃度的动态背景情况，进行初步分析与判断；对比动物的多年背景行为，判定生物行为异常的类型。

1．5．4 信息传送

目测观测的记录信息每10天传送到哈萨克斯坦地震研究所生物研究室，在那里与之前每天传送的电子信息进行校核之后，录入到国家地震终端数据库。

一旦发现动物行为异常的迹象，立即通过电话或无线电上报至哈萨克斯坦地震研究所值班室，数据报送也将转变为应急状态的随时传送。

连续记录（24 h）自记仪器，参照上述方式管理。

2 地震生物分析预测方法

2．1 地震生物行为异常的一般分析方法

地震生物观测的目的，是尽可能发现动物行为偏离背景的早期迹象，并在空间和时间上跟踪异常的发展。

一般情况下，按照如下思路分析生物数据资料：（1）分析生物活跃度变化的背景数值；（2）分类筛选出单点生物活跃度变化的异常现象；

（3）分类评估单点异常周期的持续时间、范围和幅度；

（4）总结同测点各类生物行为异常的响应现象；

（5）分析不同测点同种生物的正常和异常特征；

（6）分析不同类别生物异常的正常和异常特征；

（7）总结异常的区域性和集体性特征；（8）核实目前现象；（9）对比以往震例；（10）综合分析，预测未来地震的时间、地点和震级。

2．2 地震生物分析预测的现状和震例

哈萨克斯坦地震研究所的研究人员利用windows平台，建立了地震生物学数据库，完成相关数据归一化处理；使用GIS对观测数据进行分析，提取各种定量化图像分析。目前，作为4大前兆学科之一，哈萨克斯坦地震研究所的地震生物观测分析，已经纳入了日常、月、年中、年度和临时会商。

哈萨克斯坦地震研究所比较重视基础理论方面的研究工作。为更好地对认定的地震生物异常开展相关的机理解释，地震生物学专家们相继进行了：生物与气压、生物与温度［小囊鳃鲇（哥萨克生态实验室）、白条锦蛇（哥萨克生态实验室）、鸽子（哥萨克、奇利克生态实验室）、东方沙蟒（波特萨特、阿拉木图生态实验室）、兔子（波特萨尔生态实验室）］等相关性研究；超声波、次声波对虎皮鹦鹉行为影响的实验研究［波特萨特生态实验室进行］；超声波、次声波对休眠状态下爬行类动物行为影响的实验研究等。

2．2．1 哈萨克斯坦拜萨隆6．3级地震

1990年11月12日在拜萨隆发生了6．3级地震，震中位于昆格山东北部，震中烈度8度，震源深度20 km，震中西北方向77 km的阿拉木图市烈度为5～6度区。该地震前，震中附近地区的形变资料和动物行为都出现了显著异常现象，图1（a）为形变资料，图1（b）为动物行为异常数量变化情况。

2．2．2 苏萨梅尔7．5级地震

1992年8月19日苏萨梅尔7．5级地震中，震中距离345 km、烈度为6度的阿拉木图生物试验场多个生物观测站获得了可靠的生物地震前兆资料。

蛇：苏萨梅尔7．5级地震前34天，饲养箱里的蛇（花纹游蛇和东方红沙蛇）开始出现异常，行为与其背景行为发生明显的偏差或者完全相反，活动性增强；可靠性概率0．9。

图2为地震生物监测系统中获得的东方红沙蛇“位置”（mp）参数变化。可以看出，震前17天开始超出背景值，这期间表现烦躁不安、频繁挪动。

震前3个月蛇的总活动性变化和阿拉木图预报试验场7个磁测观测点的地磁场应力总矢量出现异常。图3阴影部分为苏萨梅尔地震震前3个月开始的失调期（反相）。

其他动物在该地震前，也出现显著烦躁的现象。

兔子：在震前7天开始从洞穴挖新的出口；

鸽子：在震前3天将小鸽子从巢里扔到地面，在地上喂哺；越临近地震，表现越强烈。

震前3～5天，还发现有动物跑走的情况（蛇、家兔、鸽子），禽类的声音活动性增强（野鸡）。

震前30 min到首个地震发生后3～4 h期间，观测到卷毛鹦鹉情绪很低靡，表现为茫然、不吃食、不出声；震前1～2 min水族馆的鲶鱼钻出栖居地，到震后10 h一直烦躁不安。此次地震对动物活动性的影响一直持续到9月27日，不同动物在异常反应的强度和持续时间上有所不同。

图4显示的是阿拉木图生物试验场苏萨梅尔地震震前动物异常反应类型。

观察发现，尽管发现有跑出栖居地（东方红沙蛇）现象，但爬行动物异常反应类型主要为A类反应，如烦躁不安、活动性增强、频繁换位置等；家兔和鲶鱼的异常反应类型主要为B类反应（有目的的试图离开栖居地）。

2．2．3 哈萨克斯坦6．1级地震

2001年1月29日00时38分在哈萨克斯坦（42．6°N，79．7°E）发生6．1级地震，震源深度20 km；震中离中哈边境最近距离38 km，新疆阿克苏、伊宁市等地有震感。该地震前后，震中距85 km的地震生物观测站虎皮鹦鹉的运动活跃度和声音活跃度异常曲线图如图5示。

3 问题与讨论

3．1 对地震生物观测的认识

哈萨克斯坦非常重视地震生物学的观测预报研究，只要条件许可，前兆专业地震台基本上都开展地震生物观测；在周、月、年中和年度会商时，也作为一个独立的学科进行资料分析、汇总、预测等。

我国对于地震生物的观测仅仅是作为对微观观测的一种补充手段而开展，没有连续和量化的观测数据资料；现有的宏观震例大都是震后科考时收集得到，对于地震预测的贡献率明显较低。

3．2 地震生物观测的管理

哈萨克斯坦从20世纪70年代开始建立专业的生物观测台站，开展连续的生物观测，并在观测的过程中逐步优化。无论从选取的动物种类，还是从观测的方法上都得到了很大提高，同时还成立了地震生物研究室，组织学习医学、药学、动物学等专门技术人员对地震生物观测资料进行科学评估与研究。

我国没有专门的组织机构来进行地震生物观测的系统研究，设置有群测群防观测点的机构，基本都是有异常才上报，没有异常也没有记录资料。新疆地区的宏观观测是国内较为系统的，但也是由新疆地震局地下流体研究中心兼管的，没有独立的部门来开展更为系统和专业的研究工作。

3．3 地震生物观测技术的发展

从历史文献资料来看，最先发现地震宏观异常的是中国人。但现今，哈萨克斯坦在地震生物观测方面的研究已经领先于我国，有很多工作非常值得我们学习和借鉴。目前，我国有数以万计的群测群防点，如果再增加适当的专业生物观测点，开展专群结合的分析与研究，也许可以在一定程度上获取更多地震前兆信息，促进有减灾实效的地震短临预报实现。

本次赴哈萨克斯坦培训期间，中方代表团已详细咨询了如何建立专业的地震生物观测站，并与哈方地震生物学家达成口头协议，在新疆未来中长期地震危险区内，哈方专家将协助新疆地震局建立2个试验性地震生物观测站；经过一定时间的经验积累后，再考虑全国推广应用。

在哈萨克斯坦地震研究所学习期间，得到了阿巴卡诺夫所长、贝拉赛季诺娃教授、库尔斯科耶夫院士、阿不都拉耶夫院士的帮助；本文完成过程中，得到了王海涛教授的指导，在此一并谨至谢意！

（作者电子信箱，高小其：gaoxq06＠126．com）

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1）Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region，

Urumqi 830011，Xinjiang，China

2）Institute of Crustal Dynamics，CEA，Beijing 100085，China

Research progress of earthquake prediction and biological observation in Kazakhstan

Gao Xiaoqi1），Liu Yaowei2），Rebukaiti1），Yang Xiaofang1），Nie Xiaohong1），Lu Na1），Liang Hui1），Xiang Yang1）

According to the history of biological observation in Kazakhstan，this paper introduced present situation，research method and information collection of biological observation network．By making comparison of biological observation in China and Kazakhstan，the earthquake prediction method using biological observation data are summarized and the research approach of professional biological observation station in Xinjiang is given．

Kazakhstan；earthquake；biological observation network；short term anomaly；earthquake p rediction

P315．7；

A；

10．3969／j．issn．0235-4975．2014．09．005

2014-02-14；

2014-02-26。

财政部行业专项（201408008）和中央级公益性科研院所基本科研业务专项（J2213825）联合资助。