由震源到动力学系统──地震模式百年演化

周硕愚 吴 云

1 中国地震局地震研究所（地震大地测量重点实验室），武汉市洪山侧路40号，430071

2 中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉市洪山侧路40号，430071

地震是地球岩石圈──复杂动力系统演化过程中的一种行为。从观测（实验）中用归纳法得到经验特征固然重要，但其可靠性是存在疑问的。只有将它纳入一个理论模型的解释范围，并被作为某种深层机制的必然结果能从模型中推导（演绎）出来，其真确性才能有所保证。“自然的复杂性使得我们必须用概念模式和数值模式来洞察重要的地球系统过程”［1］。傅承义［2］既强调地震模式不是来源于虚构，而是由实践所启发，又强调模式的“必要性有两方面的原因：1）经验关系都有它的应用范围。在范围之外必须外推，外推就需要模式。2）前兆出现的方式常不以某个物理量单独出现，而是几个量的综合。综合不等于简单地叠加。如何最有效地综合，需借助于模式。”

地震预测的前提是：认定在过去、现在和未来之间可能存在某种逻辑关系，以代表此关系的某种模式（认知）来演绎（预测）未来。地震预测本质上是在一定学术思想引领下，基于动态观测信息的模式演绎。预测者的认知模式能在多大程度上逼近自然界的实际，又取决于当时的科技水平和科学思维方式，因此地震模式是随时间而不断进化着的。

本文试图回溯从1910年Reid提出弹性回跳说至今近百年来地震模式学术思想的演化轨迹，探讨学术思想与科学和技术发展的关系，以及与地震预测的关系；分析近数10a来地震预测兴起，又跌入低谷并“粘滞”的原因；阐明从还原论走向整体论与还原论的结合，由震源力学拓展到系统动力学，是地震模式发展的大趋势。科学思想和方法论的更新，有助于促进更符合、更逼近大自然实况的地震模式涌现，进而推进地震预测创新。地震大地测量学与多个前沿学科交融，对推进地震模式研究具有重要作用。大陆形变动力系统模式（中国大陆地壳运动－变形动力系统现今演化与地震行为模式）正在探索与成长中。

1 地震模式的演化

已提出的地震模式至少有数10种，表1仅从学术思想的视角，按时间先后列出了近百年（1910～2003）来较典型的9种地震模式，9种模式可归为3类。

2 仅考虑震源区（或发震断层段）的模式

弹性回跳模式来源于对1906年圣安德烈斯断层大地震前后的水平形变观测。扩容模式（DD）和裂隙串通模式（IEP）主要源于对小样本岩石破裂实验结果的类比。它们都只孤立地考虑了震源区本身，而实际上震源区只是大自然孕震系统中的一个部分，无法同周围深部的构造环境和动力作用分割开来。

表1 不同地震模式Tab.1 Different Seismic Models

DD“湿模式”和IEP“干模式”对多种前兆手段（波速比、形变、电阻率、微裂面积、水流速、氡含量、b值、地震次数等）的异常时变过程曾有过明确的规定，“它们都导出多种前兆应发生的次序。但两个模式后来都被证明是失败的。”［2］由于其本身的缺陷——基于孤立的、简单化的、完全确定论的还原论推理，难以符合大自然复杂系统的实况，因而经受不住实践的检验。

但这3种模式在科学认知上都有其不可否认的贡献。尤其是弹性回跳模式，它抓住了地震发生在上地壳脆性层中，弹性变形（应变）由逐渐累积到突然释放又回归常态这一本质，故至今仍被不断改进和展拓。DD“湿模式”中的流体进入裂隙，孔隙压力增大、摩擦力降低的机理在水库诱发地震中得到验证。IEP“干模式”中的不稳定变形窄带内，裂隙雪崩式串通高速扩展，其实质正是动力系统演化至一定条件下所涌现出的临界态“正反馈”，对探索大地震的成核过程与短临前兆是有益的。

3 震源区和周围构造环境作为一个系统整体考虑的模式

随着观测技术的进步，广域信息的获取，对大陆强震前兆的定量研究以及系统科学理论的启示，科学家们意识到必须将震源区和周围构造环境作为一个整体来研究，否则既不能解释为什么震源要出现于此地而非彼地，也不能解释广域内多种震前异常的时空关系。

傅承义［2］指出，“许多地震预报工作者由于受地震断层成因假说的束缚，只将注意力集中在断层所在的地点，大大限制了观测的范围。其实，地震时能量的释放固然集中在断层错动的地方，但能量积累所影响的范围却大得多。”“临震之前，相当大的一部分地球介质已经处于应力加速积累的状态。这部分介质可以叫孕震区（以前笔者曾称它为红肿区）。”“孕震区不等于由余震所划出的震源区，前者比后者要大得多。”看似寥寥数语，却道出一个超越当时国际时尚认知的更先进的地震思维模式——“红肿模式”，其实质是具有重要开拓意义的孕震系统概念模式。

郭增建［3］提出组合模式，丰富和发展了弹性回跳模式，阐明了断层的应力积累单元与其两端的应力调整单元之间的关系及其在地震孕发过程中的相互作用。在断层的特定条件下，实现了震源区和周围构造环境的结合。

梅世蓉［4］提出的“非均匀介质中非均匀坚固体孕震模式”，考虑了板块内部大陆地震的构造环境和孕发过程不同于板间地震的复杂性。通过对不同时－空尺度内一系列地震活动与地壳形变异常之间关系的定量研究，数据合成与数值模拟，地球物理学与系统科学的结合，探讨坚固体（震源区）与广阔外部构造环境之间的相互作用过程和如何导致在坚固体内发生大震的物理机理。它比组合模式更广义，又是红肿模式的具体化和定量化。周硕愚将该模式称为“以坚固体为‘系统核’的孕震系统演化模式”。“非均匀介质中非均匀坚固体孕震模式”超越了多年来地震模式研究中的“还原论”局限，强调相互作用，将对认知地震孕发自然规律跃升到一个新的层次。

1976年唐山7.8级大震发生在中国大陆华北活动地块内部一条长度甚短且未完全联通的唐山断裂上，用过去的各种地震模式均难以解释，而用非均匀介质中非均匀坚固体孕震模式则能理解其成因与孕发过程；而孕震系统演化理念又引导出一些新方法，如“孕震系统的信息系统方法”、“形变场图像（斑图）动力学方法”［5－6］。将此模式的理念和方法应用于一些大地震的预测和“平安预测”也取得了可喜的实效，如前者对1996－02－03云南丽江7.0级地震的预测（中国地震局地震研究所，1996年度全国地震趋势研究报告，1995－11）；后者在1989年大同6.1级等强震后，对首都圈近期地震形势的“平安预测”（国家地震局首都圈地震分析预报及现场工作组——分析预报中心、综合队、一测中心和地震所，1972）。

然而无论是“前3种”—— 弹性回跳模式、扩容模式（DD）、裂隙串通模式（IEP），还是“中3种”——组合模式、红肿模式和坚固体孕震模式，都没有明确地、实际地考虑逐步积累并突然释放弹性应变能的脆性层与深部韧性层、软流圈之间的动力学耦合对地震孕发过程不可忽视的作用。这也许就是原有的各种地震模式，面临2008年汶川8.0级大震时均显得力不从心的原因之一。

4 地壳上部脆性层和深部韧性层与软流圈作为一个系统整体考虑的模式

20与21 世纪之交，随着多项高新技术的综合应用（地震层析成像、卫星重力、GNSS等），大陆动力学、地球系统科学、复杂系统理论的兴起，一些科学家将岩石圈的3个圈层作为一个整体系统来研究地震成因及其孕发过程，于是涌现了一批以岩石圈不同深部层次动力学耦合为基础的地震模式。

碎裂圈、塑性圈和软流圈耦合作用下的断层形变－地震循回模式［7］，以岩石圈深浅部耦合的动力学研究，改善和推进了“弹性回跳模式”、“组合模式”，并使地震与断层力学（the mechanics of earthquake and faulting）上升到一个新高度。图1表示断层下部（深部）韧性层的稳态流变与断层上部脆性层的非稳态形变具有动力学耦合关系，导致走滑断层的地震地壳形变循回。

图1 深部滑移作用下的走滑断层地震循回［7］Fig.1 Strike－slip faults earthquake circle in deep phorogenesis［7］

脆性上地壳、韧性下地壳和上地幔3层耦合地震模式［8－9］，超越了仅在上地壳范围内研究地震成因和仅在断层带研究岩石圈3层动力耦合的局限。其明确提出了下两层次中的稳态蠕变会增加上面脆性层中的应力，“某区域稳定构造之所以稳定，是因为此区域的韧性层变形率低，而活动地区之所以活动是因为其韧性层变形率高。”强调了深部过程对浅部构造运动稳定性与地震活动性的作用，对促进地震科学与大陆动力学和地球系统科学的结合，深化地震预测基础研究有重要意义。

Keiiti Aki［10］的预测地震和火山喷发的地震学，不仅倡导新理念且提出了新途径。目前对火山喷发已可预测，而且是基于其内（深）部变化来预测地壳表面的喷发行为，而地震不仅尚未实现预测，且依然停滞在基于地壳表层现象（地形变等）来反演深部。两者差距甚大，主要工作方向相反。从系统结构和动力学机理上类比了地震与火山后发现，“它们不仅在预测策略上，而且在物理模型上都可能很相似。”因此将预测火山喷发的经验应用于地震预测是必要的，也是可能的。他发现，在脆－韧转换带中尾波Q－1的增加和同一尺度上应力集中使地震频度N（Mc）增大的关系并将其用于大地震预测。用Prigogine的不可逆过程热力学、耗散结构理论来解释印证Q－1与N（Mc）随时间变化的关系，认为正处在地球动力学和非线性动力学的接触（交汇）点上。岩石圈深层次和浅层次的动力学耦合是导致大地震发生的原因。Keiiti Aki的科学新理念和实践，超越了地震预测的传统科学观念，体现了在地球系统科学框架下，对其火山子系统与地震子系统共性的挖掘；体现了多圈层动力学耦合概念模型与动态观测数据的互补；体现了地球动力学、地震学、大地测量学等和复杂系统理论交融的必要性与可能性，有助于在一个更高的层面上，深化地震预测的基础研究与应用基础研究。

5 正在发展中的新模式：大陆形变动力系统模式

尽管地震模式不断进化——由震源（Ⅰ类）到震源与周围环境（Ⅱ类），再到震源区浅部与深部耦合（Ⅲ类），但依然难以揭示岩石圈复杂系统内大地震的孕发过程。例如面对2008年发生的汶川MS8.0地震，上述诸模式似乎均感乏力，不仅难以指导预测，似也难以解释孕发过程中的多种自然现象。因此，有必要寻觅更新、更好的大陆地震模式。

5.1 当代全球科学新进展的启示

经典的地球动力学本质上是经典力学在地学中的应用，以经典的时空观念和牛顿运动定律为基础，具有还原论、机械论和完全确定论等基本特征，但不符合多体相互作用的具有复杂性的演化着的大自然实际，这可能就是地震模式具片面性和地震预测基本屡战屡败的科学原因。有幸的是，当代科学正经历着超越经典科学局限性的创新与转折，为解决这些难题提供了新的学术思想和途径。系统科学（复杂性科学）的兴起，以整体论、演化论、非完全确定论等为特征，改变了世界科学图像和科学思维方式，促使地球科学迈入地球系统科学新时期［11－14］。现代物理学从存在走向演化；现代数学和力学涌现出“动力学系统”、“非线性动力学”等新学科；传统地震学迈向在多学科交叉领域研究地震现象的“地震科学”［15］；空间、信息等革命性观测技术使大地测量学跃升为现代大地测量学，并派生出前沿交叉新学科“地震大地测量学［16］，从而为复杂性难题（包括地震科学及地震预测）的解决，提供了新科学思想、新理论、新方法和新技术，打开了一条充满希望的科学新通道，使得实际研究大陆岩石圈现今地壳运动－变形动力系统演化及其地震行为成为可能。傅承义、Keiiti Aki和Садовский M A 等地震学家，在上世纪末和本世纪初均敏锐地感知了此大转折与新机遇，不约而同地呼唤更新的科学思维和科学方法，迈向地球系统及其子系统整体演化、模式与观测相结合的新征途。我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020）》明确提出，通过“地球系统过程与资源、环境和灾害效应”及“复杂系统、灾变形成及其预测控制”等基础研究来解决关键问题和瓶颈问题。

5.2 正在探索与发展中的大陆变形动力系统模式

大陆岩石圈是一个不均一、不连续、具多层结构和复杂流变学特征的综合体［17］，具有深部多层次和横向多尺度地块的镶嵌结构（图2）。图2直观地显示出深部不同层面的物质运移与多等级大陆（板内）地块在形成、演化和现今运动中存在的动力学耦合关系，是一个相互作用强烈的复杂动力学系统。地震是此系统演化过程中派生的一种动力学行为。1988年NASA 的《地球系统科学》面世，标志着地球科学迈入地球系统科学新时期。同年，我国地震出版社出版了《系统科学导引》［18］，被评价为“在地壳形变，地震预测和系统科学之间初步架设起桥梁”，从大陆形变动力系统演化来探索大陆地震，更符合自然界的本性和当代科学的整体进展。此新探索获得了傅承义等多位专家的重视、支持和指导，坚持研究直至今日。我国地震大地测量学学科［19］基于近50a来空间大地测量、物理（重力）大地测量、几何大地测量、动力大地测量和地震大地测量，对全球板块运动、欧亚板块（中国大陆位于其东南隅）与印度板块、菲律宾海板块、太平洋板块等的相互作用，对中国大陆岩石圈内部各等级地块、边界带、断裂带、地块内部，包括深层的滑动和浅层的形变场、应变率场、重力场空间分布与时变过程，对某些大地震震前－震时－震后的时空过程，所作的持之以恒的综合观测，严谨精细的动态数据处理以及整体论与还原论结合的数据理解，构建了一个空前独特的具有科学创新源性质的“地震大地测量学信息资源库”。笔者逐渐感悟到，地震大地测量学作为一门新交叉学科，能整体、动态、精确地测定驱动力与大陆形变动力系统响应关系、系统内部各层次各部分之间的相互作用及其现今演化过程，对大陆动力学和地震模式研究，可望作出一份新贡献，逐渐走上了基于地震大地测量学对大陆形变动力系统和大陆大地震模式的探索之路。

在地球系统科学和地球动力系统框架下，立足于地震大地测量学，结合地震学、构造地质学、地球动力学、复杂系统理论和地震预测实践，周硕愚、吴云等［20－24］通过长期的综合研究，提出了“以坚固体为系统核的孕震系统”、“地壳运动－地震系统自组织演化模式假说”和“中国大陆现今地壳运动变形－动力系统演化和大地震行为”等概念。其要点如下：1）中国大陆岩石圈变形（运动与变形）动力系统是一个自组织系统（self－organization system），在系统吸引子（attractors）控调下，自动地趋于系统与环境的协调和内部各子系统的协同，故而能实现从百万年到现今的整体稳定。现今地壳运动最基本的常态是“自组织稳定态”（self－organized steadiness），而不是“自组织临界态”（self－organized criticality），后者仅是在一定条件下出现于局部时空域的暂态。2）系统结构不均一，某些局域滞阻能量流、物质流，形成若干个“潜在震源”，它们既合作又竞争，具多种可能性空间。有的会发展为以“坚固体”为“核”的“大地震孕震系统”；偏离稳定态（常态）的形变、重力和地震等异常，具有跨越多时空尺度的长程关联性，总趋势是大震发生前由外向内（向震源区），之后由内向外。3）自组织临界（SOC）是一种处于混沌边缘的“非稳定定态”，它既使完全确定性的预测难以实现，但又有助于大地震的预测（以正反馈作用为主的“变形局部化”、地震成核和“响应灵敏度变异”等）。主破裂发生后，自动调整归复正常稳定态，并以库仑应力等方式影响周围区域的动力学过程。4）地震是大陆形变动力系统演化过程中出现的一种动力学行为，是保持系统全局长期稳定的自调节行为，偏离并回归动平衡稳定态的局部暂态过程，可望用地震大地测量图像（斑图）动力学（pattern dynamics）来刻画。现今地壳变形是千姿百态表像与内蕴规律性的结合，各大地震孕发过程既各具差异性，又具共同性。大地震具可预测性，又具预测的非完全确定性。

图2 大陆岩石圈纵向分层与横向分块、各种断裂与滑脱的关系示意图Fig.2 Vertical layering and horizontal continental lithosphere block，relationship of various ruptures and slips

江在森等［25－27］基于对GNSS等空间测地新技术所获得的大量多尺度动态数据的严谨处理，研究了印度板块等动力作用对中国大陆、大陆速度场、大陆活动地块之间、边界带与多种应变率场之间的动态图像及其与大地震的关系，揭示出一些新的自然现象，如在汶川大震前印度板块相对于中国大陆、中国大陆西部相对于东部的地壳运动加速等。在大震发生前几年的地震大形势研究中，已觉察到“大区域应力应变场调整最可能使南北地震带中、中南段应力应变加速积累和集中，对该区域强震的孕育发生起促进作用”，提出从构造动力过程进行强震危险性时空逼近的科学思路和动力动态图像预测方法。这不仅是预测技术途径的研究，本质上也内蕴着一种动力系统演化模式。

张培震等［28］提出“中国大陆地块运动和连续变形相结合的动力学模式”，认为中国大陆的总体构造变形由刚性和非刚性运动所组成，既不是完全刚性块体的运动，也不是完全粘塑性的连续变形，而是在连续变形背景下的地块运动。“地块的变形和运动都是下地壳和上地幔粘塑性流动的地表响应。驱动中国大陆活动地块运动的动力来源肯定是印度、欧亚、菲律宾和太平洋四大板块的相互作用，其中印度板块对中国大陆的碰撞和推挤作用是中国大陆晚新生代构造变形最重要的动力作用，而不同活动地块本身的性质决定着地块的整体性和变形方式”，体现了地震地质学与地震大地测量学GNSS现今时间尺度地块运动－变形定量模型的交融互补。

滕吉文等［29］在研究汶川大震地震深浅部动力学耦合模式时，强调了脆性层与韧性层、软流圈耦合的另一种方式，即地下热物质流可能沿着裂隙通道上涌。申重阳等［30］基于重力场动态变化对汶川MS8.0地震孕育过程的研究确认，大震前数年在以未来震源区为核心的龙门山断裂带两侧的一定空间域，出现了显著的重力场异常局部化，对应的应是物质运移密度异常场和垂直形变场局部化。

上述几种探索，整体上表现出对表1百年模式学术思想演化趋势的继承，在“由震源到动力学系统”的科学认知征途上似有新的前行。

6 讨论与结论

1）近百年地震模式学术思想演化轨迹。由研究震源区（发震断层段），扩展到震源区和周围构造环境的相互作用，再扩展到地壳上部脆性层和深部韧性层与上地幔间的动力学耦合，进一步再扩展…，勾勒出由孤立研究震源到研究相互作用的动力系统的轨迹。

2）地震模式研究的现今趋势。地球科学已进入地球系统科学新时期，将中国大陆岩石圈视为在全球板块和地幔对流动力作用下，具横向多地块和深部多层次结构，由多等级的多个强相互作用的子系统组成的具复杂性的动力系统；而与大地震孕发直接关联的是其所属的“大陆形变动力系统”（大陆地壳运动－变形动力系统）。因此，当今大地震模式研究的趋势是：（中国）大陆地壳运动－变形动力系统现今演化与地震行为。体现了当代科学整体进展，科学思想和方法论对传统经典的超越，内蕴了对地震预测实践的反思，也是百年地震模式学术思想演化历史轨迹的自然延伸。本文§5.2中所简述的几位作者对新模式的初步探索，尽管各有侧重，但可能均属于“大陆形变动力系统地震模式”的范畴。

3）地震大地测量学是推进地震模式发展的新认知源。地震模式涉及到地壳运动－变形－局部破裂的深层机理与过程，其本身就与大地测量学密切相关。在经典大地测量学迈入现代大地测量学，并初步形成当代前沿交叉新兴学科——地震大地测量学后，开拓了大陆现今（10－2s～102a）地壳运动－变形与动力学研究的新领域。其革命性观测技术和统一严谨的参考框架，能整体、动态、定量地精确测定多种空间尺度（板块、板内地块、边界带、断裂带、块内、定点等）和不同深度（浅层形变、深部滑动、物质运移）的现今时空演化过程，使研究各部分之间的相互作用、激励与响应、正常稳定与局域非稳定、长程关联、震源形成与演化、临界态等均成为可能，使具有整体论演化论鲜明特色的动力系统演化及其大强地震行为研究得以进行。这可能是大陆动力学、地震科学、地震地质学等对此新信息－认知源密切关注的原因。地震大地测量学应更主动地与相关学科深层交融，强化对中国大陆大地震模式的探索。

4）地震模式的相对性与模式族。一切模式均有相对性，既有认知大自然的相对性，也有功能和应用范围的相对性。以复杂系统理论为基础的动力系统模式，在认识论上超越了以牛顿力学为基础的经典动力学模式，但并非替代；整体论与还原论结合，是研究当今世界面临的科学难题的明智之道。多个有一定科学依据并经过一定实践检验的模式组成的“模式族”是地震科学与地震预测的“智库”。在地球系统科学、地球动力系统、岩石圈动力系统、“大陆变形动力系统”、“大陆现今地壳运动－变形动力系统”框架下，模式之间、模式与多种观测（实验）数据和多学科知识之间，都是可连接、互验、组合并互补的，有利于形成揭示藏匿在复杂表象之后的自然规律的新认知能力，有助于使地震预测逐步挣脱“粘滞”状态。

5）地震模式与地震预测。对观测结果的统计归纳，难以直接用于预测，因为样本的个性很强。岩石破裂实验结果也难以直接用于演绎（预测），因为尺度效应和实验室与大自然（物性、构造及深部环境等）存在差异。企图将前兆识别程序化是不可取的，地震预测绝非工业生产线。而模式是有可能将多种信息归纳并升华为一种科学理念，从而用于预测的一种科学认知过程与方法。尽管模式本身也是相对的、需要修改的，甚至可能被扬弃的，但只要坚持此科学认知途径，就必然能从科学基础上逐步深化对地震成因和孕发过程自然规律的认识。尽管依然艰难，但仍可望在不断改进地震预测的征途中，不断检验和完善模式。正如Keiiti Aki所述，“每日接触监测数据和头脑中随时有模型结构，对敏锐地发现前兆现象是非常重要的”，“模拟和监测紧密结合，也许有可能拯救单纯的地球动力学方法。”动力系统概念模式下的模式族、图像（斑图）动力学、局部数值模拟和观测数据深度交融，有助于推进地震预测。整体论与还原论结合、观测与模式结合、应是通向地震预测之路。

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