鲁甸、景谷、康定地震预测的原理、方法及其意义

李德威

(中国地质大学(武汉) 地球科学学院,中国地质大学(武汉) 重大地质灾害研究中心,湖北 武汉 430074)

近年来青藏高原东缘相继发生系列强震,包括2008年5月12日汶川Ms 8.0级地震、2010年4月14日青海玉树Ms 7.1级地震、2013年4月20日四川芦山Ms 7.0级地震、2014年8月3日云南鲁甸Ms 6.5级地震,2014年10月7日云南景谷Ms 6.6级地震,2014年11月22日四川康定Ms 6.3级地震。这些沿着川滇菱形块体东北部边缘构造带串珠状分布的地震发震频率高、震源深度浅、链式灾害多、灾害损失重、关联研究少、预测环节弱。

地震预测不仅是科学问题,也是社会问题。《礼记·中庸》中说:“凡事预则立,不预则废”。搞好预测、作好准备是成功的基础。地震是地球物质运动的一种构造表现形式,自然界任何物质运动都是有规律的,取决于能量的源、汇、释。因此,地震活动是在某种能量作用下物质发生规律性运动的结果,必然会出现与地震机理密切关联的前兆异常,据此可以科学地预测地震。

笔者曾在东昆仑、汶川、玉树、通海地震区分别进行了3次、5次、4次、3次野外调查,在芦山、鲁甸、康定地震区各进行了1次实地调查,并与50多位地震专家进行了长达3年的广泛、深入交流。在此基础上,本文以下地壳层流与盆山耦合大陆动力学(李德威,1993,1995,2003;李德威和纪云龙,2000;李德威等,2009;Li,2008)、多级物质循环地球系统动力学(李德威,2005,2011,2012,2014a,2014b)、热灾害链(李德威,2011,2012,2014a,2014b)和陆内地震热流体撞击(李德威,1995,2008a,2010,2011,2012,2014a,2014b;李德威等,2014)等学术思想为指导,通过芦山、鲁甸、景谷、康定等地震的长期和中期预测(李德威,2008a,2010,2011,2012;李德威等,2013a),进一步总结陆内地震预测的思路和方法,阐明地震的形成机理,强调取出灾能、变害为宝的重要意义。

1 地震能够预测

自从Gelleret al.(1997)在Science上发表“地震不能预测”一文以来,主流基本认同“地震是一种自组织临界现象”,支持地震不可预测。也有一些学者对地震自组织临界提出质疑(Knopoff,1999;Main and Kindy,2002;吴忠良和蒋长胜,2007;陈运泰,2009;许绍燮,2011)。Cyranoski (2004)在 Nature 上发表了“A seismic shift in thinking”(地震预测观念的大转变)一文,令人鼓舞。

我国成功预测了海城、松潘–平武、龙陵–潞西、乌恰等二十多次 6级以上的地震,还创造了唐山大地震中的“青龙奇迹”。这些成功案例充分说明地震是可以预测的。正因如此,我国一些专家克服许多困难,长期致力于地震预测事业,并取得丰硕的研究成果(陈立德和付虹,2014;陈运泰,2009;傅承义等,1979;邓志辉和马瑾,1993;耿庆国,1984;郭增建,1997;胡敦宽等,1995;刘德富和康春丽,2003;强祖基等,1990;任振球等,2001;许绍燮,2011;曾小苹和林云芳,1995;张小涛等,2009;张元生等,2010;郑治真,1994;Hu et al.,2013;Zhao and Qian,1994)。 笔者曾与马宗晋、许绍燮、李 玶 、郭增建、耿庆国、汪成民、李均之、赵玉林、钱复业、林云芳、曾小苹、杨巍然、强祖基、杜乐天、徐道一、任振球、邓志辉、石绍先、付虹、张元生、曾佐勋、汤懋苍、高晓清、陈维升、夏雅琴、李正心、胡辉、韩延本、沈宗丕、高建国、陈辉、岳中琦、池顺良、罗灼礼、刘德富、顾国华、查志远、马鸿钧、丁跃军、李志平、张建国、宋期等就地震成因与预测进行过不同程度的交流,结合笔者在多个地震区的调查和地震地质的研究,初步总结大陆地震不同演变阶段的前兆特征见表1。

上述前兆异常是由多个震例(特别是大震)高度综合而成,而不是每个地震必然出现所有的异常,因此,前兆异常是复杂的,有待进一步深入研究。另外,还需要说明和探讨的是:

(1) 异常范围大小与单个地震的震级和震群分布有关,也与中下地壳非均匀热结构有关。初步估计,对于里氏 7级地震的地面异常而言,长期异常区域(如干旱)震中距可达 400 km,中期异常区域震中距约300 km,短期异常区域震中距约200 km,临震异常区域震中距约100 km,宏观异常极强区可能在数十公里范围内。因此,根据中长期异常范围确定短临地震监测区,分析增量热能(灾能)对应的地震数和震级,然后分步骤开展立体监测和加密流动监测,根据前兆异常发展的时空强结构基本能够确定震中和发震时间,进行临震预测和预报。

表1 陆内地震主要前兆异常组合Table1 Main precursory anomalies of intracontinental earthquakes

(2) 地震前兆异常具有时空和强度的有序结构,长中期预测阶段前兆异常从外围向震中定向迁移,进入短期和临震预测阶段前兆异常则从震中向外定向迁移;异常强度从热流体准备撞击到进行撞击之间出现物理量突变;流体相关异常早于固体相关异常;震级越大,前兆异常的时空尺度和强度变化越大,出现的前兆异常种类越多,前兆异常演变的规律性越强,地震预测的难度越小;显著的地应力相关突变异常,多与同震形变和位移有关。

(3) 晚期小范围异常区出现在早期大范围异常区边缘,晚期异常种类多、频率高、分布集中的区域往往与震中有关。在地质构造上,表现为流动的“热河”与相对固定的“河岸”之间的接触部位或潜在的撞击点。

(4) 尽管震前下地壳因增量热能引起半固态流变物质发生异常运动,由于中地壳吸收了大量的热能发生固态相变,顺层调节的韧脆性转换带储存和积累了由热能转换的应变能,因此,上地壳表及其浅表层次变形不明显,位移速率变化不大,地下至空中热流体变化较明显,局部甚至出现由热隆作用产生的抛射式滑坡、地陷、矿难等自然灾害;同震块体位移和地表破裂突然加著,热流体异常活动更加显著，热流体撞击后的上冲作用常导致抛射式碎屑状远程高速滑坡;震后地下水汽释放和局部大气环境改变,常出现异常降雨,伴生泥石流。

(5) 不仅要重视热灾害链异常区立体监测网络体系的建设,还要大力加强新型群测群防网络体系建设,宏观异常信息对短临地震预测具有极其重要的作用。

导致现今地震预测困局的核心问题是流行的地震成因理论与客观的前兆异常不相容:大量的前兆异常用流行的弹性回跳模式无法解释,而根据弹性回跳模式应有的地应力、地形变异常在震前不一定出现或者不明显。

地震前兆异常之间是否存在本质上的关联性？它们到底指向哪种地震机理？广泛分布在中地壳的震源与刚性板块和脆性断层有关吗？地震的时、空、物、能有规律和联系吗？本文试图以鲁甸、景谷、康定地震预测为实例,解开这些谜团。

2 鲁甸、景谷、康定地震的预测方法

2.1 地震预测方法简评

目前地震预测方法主要建立在测震、形变、电磁、地下流体、地震地质的基础上。由于执行专群结合、群测群防路线,我国曾取得了成功预测海城地震这一开天辟地的伟绩。我国震灾惨烈,损失惊人,一些地震专家在困境中奋争,自创或尝试多种地震预测方法。在长达 3年多的《国家自然灾害空间信息基础设施专项》(简称623国家专项)论证过程中,我们了解、调查和评价了许多地震预测方法,包括地倾斜法、地应力法、地应变法、钻孔应变观测法、GPS法、地震活动性图像分析法、旱震关系及五项气象指标法、地电法(包括 HRT波法、地电阻率法、自然电位法、土地电法等)、地磁法(包括地磁转换函数法、地磁加卸载响应比法、地磁空间相关法、地磁异常极值环交汇法、磁喷法等)、电磁辐射法、MDCB法、重力法、天文–重力法、地声法、地温法、地下流体法(包括水温、水位、水硬度、水氡等)、地气法、次声波法、动物异常法、氢氧碳同位素法、卫星热红外图像地震预测法、卫星红外潜热通量法、卫星热红外相对功率谱法、卫星热红外长波辐射法、三性(周期性、倍周期性和黄金分割性)法、磁暴(月相)二倍法、加卸载响应比法、电离层扰动法、可公度法或信息有序法、三星一线法、天文周期分析法、天文活动法、时纬残差法、震象云法、天象–干支序列图法、日食–地震法等等。经筛选后分析了一些预测方法的科学性、准确性、技术可行性、发展潜力和存在问题。总体而言,有成功的案例,也存在误报、漏报现象。常常是异常出现,但背景不清、机理不明、关联不紧,致使灾种难辨、定位不准,精度不高。

归纳起来,地震预测方法大致可分为经验预测、统计预测、物理预测和综合预测。实际操作中,这些方法各有侧重,互有重叠。

目前,有人倾向将海城地震预测归为经验预测,从观察到的小震群异动和宏观异常预测主震。因此“小震闹、大震到”,成为海城经验。而这种模式在接下来的唐山地震中没有复制。但是,唐山地震之前出现了宏观异常组合,还创造了“青龙奇迹”,可谓青龙经验。

既然是经验,就应当积极总结,不断提高认识水平。不是所有大震和强震都有小震群作为前震;宏观异常的构造物理属性、地震专属性、机理关联性还不清楚;宏观异常与微观异常的系统监测和关联分析仍不够。如果解决了这些问题,科学地建设立体监测网络体系和新型群测群防体系,地震预测水平一定能够大幅提升。

统计预测是将一定时空结构中地震活动性的统计规律用于地震预测。目前西方国家倾向于研究特定区域的地震序列,建立地震概率模型,预测未来地震发生的概率。主要问题是:地震系统的时空结构是动态变化的;地震概率模型参数选取具有主观性;地震概率预测结果具有不确定性。

物理预测是从地震形成机理出发,监测地震发生之前物理量异常并进行地震预测。这是地震预测的发展方向,也是地震学家努力奋斗的重要目标。但是,目前地震机理不明;难以阐明常见的前兆异常与流行机理之间的关联性。因此,建立在断层活动、弹性回跳等物理机理之上的地震预报试验场接连受挫,滋生和助长了地震不可预测论。

综合预测是整合多种地震监测、预测手段,对前兆信息和预测建议进行综合判断。将理论与实践相结合,优选多种地震监测方法和手段,获取地下、地面、天基、空基地震异常监测数据,进行多类异常的四维动态立体填图,提取关联、耦合的前兆信息,有序开展长、中、短、临相结合的综合预测(李德威,2010,2011,2012;李德威等,2013a),是地震预测的发展方向。需要解决前兆是否有效可靠、方法是否合理权重、灾种鉴别是否有科学依据、整体与个体如何协调、人机能否有机结合等问题。

笔者认为,物理预测是地震预测的根本,综合预测是地震预测的根基。如果地震预测的思路由破裂物理预测转向热流物理综合预测,许多问题可能迎刃而解。芦山、鲁甸、景谷、康定地震的中期预测在一定程度上支持了上述设想。要深入认识这一预测思想,离不开下地壳层流、盆山耦合大陆动力学和多级物质循环地球系统动力学这个大视野。

2.2 陆内地震的预测思路

初步总结陆内地震预测的思想、方法和步骤,如图1所示。这是一个以热流为主导、循序渐进的地震监测预测思路,目前只经过了芦山、鲁甸、景谷、康定等地震中长期地震预测的检验,还需要大量的验证和不断地完善,特别是在短临地震监测和预测方面。

对于短临地震预测,应当采取围震思路。在调查和研究热灾害链和“热河”精细结构及地震空区的基础之上,圈定如图2所示的潜在震区,在已有监测系统基础上及时建设针对热流体活动有关的立体监测体系和流动加密监测体系,逐步缩小地震发生区的时空范围,精准预测预报地震。本文强调必须立体监测与热流体灾变异常有关的前兆,在此只作综合分析和理论探讨,有待实践检验。因此,应当深入研究不同类型前兆之间的关联性、前兆与灾种之间的关联性、前兆异常与灾害机理之间的关联性,针对热异常关联前兆,建立专群结合、群测群防的立体监测系统和预测体系,能够不断提高地震预测水平。

图1 地震预测思路示意图Fig.1 Schematic diagram showing the workflow of earthquake prediction

图2 西南地区地震长期和中期预测示意图(据李德威等,2013a,加了鲁甸、永善、景谷、康定等地震的震中)Fig.2 Long-term and medium-term earthquake forecasts in the Southwest China

由于活动“热河”中固态、半固态流变物质在重力、天体引潮力等因素作用下异常运动,撞击到强弱块体的分界面,形成地震。根据热流体撞击形成地震的模式,热和流体是地震的直接前兆,机理相关的气象异常、物理异常、化学异常、水文异常、地质异常、生物异常、天文异常是地震的间接前兆。地震监测和预测应当在热流体地震撞击机理指导下科学部署,对通过热灾害链圈定的短临地震预测区,除了运用优选的地震监测手段获得综合前兆异常,并进行异常动态立体填图外,还要在短期地震预测区布设一系列横穿“热河”边界过渡带和几条平行“热河”并靠近边界过渡带的高精度地震探测剖面,抓住 S波对流体敏感的特点,重点动态监测震源层及其下部的热软化物质的异常运动,就像医学 CT或核磁共振持续监测人体一样,能够准确把握“血管瘤”的破裂过程(热流体撞击产生地震的过程)。在临震期,合理布置按上述思路研发的灾害监测和航拍无人机、综合异常多功能监测车,开展短临地震预测区的流动加密监测和实时摄像,并自动传输到监测预测预报中心,这样就能够灵活提供急需区段的前兆信息,而且能够在第一时间发布地震灾情,绘制烈度图,及时开展科学救灾。

因此,地震预测应当是在符合客观事实的地球科学系统理论指导下采用科学方法而开展的一项系统工程。地震预报还需相应的科学决策与应急管理系统。

值得指出的是,地下剩余热能可形成多种灾害,火山、跨季度干旱、抛射式滑坡、天然矿难、天然森林大火、突发性雾霾等许多灾害可释放剩余热能和热流体,产生各种相似异常,因此灾种鉴别十分重要。高温部分熔融或高度熔融形成的岩浆由于低密度产生的浮力,只能向上运动,喷出地表形成火山,会出现区域相对固定的点式异常。而地震的形成机理不同于火山,是下地壳固态、半固态流变物质非均匀层流导致顺层滑脱的中地壳不断积累应变能,下地壳热能通过中地壳应变能转换成上地壳机械能之后发生脆性破裂,形成地震。当局部受热的上地壳经过冷加工硬化变脆后更易于破裂,因此,跨年度的地源热干旱之后出现异常降雨或冰冻,当地下热能再度异常积累,易于发生地震。在灾种鉴别和灾源定位过程中,必须以致灾机理为指导,对各种前兆异常进行系统的组合分析、时空分析、关联分析和主次(权重)分析。还要深入研究直接前兆与间接前兆的关系,区分必然前兆与偶然前兆,挖掘机理关联的前兆异常数据,分层块提取有效前兆异常信息,进行大数据定量处理和关联分析,定能科学地预测地震。

地球如人,热流似血。地震是中下地壳热河(“血管”)局部热流体异常运动击破较坚硬的围岩(“血管瘤破裂”)造成的,因此,对由热灾害链圈定的异动热河高危区段进行高分辨率多波段多分量四维地震探测(“CT动态扫描”),查明热河潜在发震区的精细结构、流动轨迹和流速变化,能够准确地预测地震。

查明异常热活动构造区带特定时空结构中自然灾害连发、群发、多发的致灾因子,辨认有效、可靠、确定、关联的前兆,搞清前兆异常和前兆组合所指向的致灾机理,是经验预测上升到科学预测的关键环节。纵观各大地震,地气耦合现象明显,震前闷热、震后降雨(或下雪)似乎形成规律。震前热流体异常与物理、化学、气象、水文、生物、天文等异常之间可以建立成因联系,但是用断层活动、弹性回跳难以合理解释。因此,从地质、自然灾害、地球物理、气象等事实出发,认识地震和关联灾害的形成机理,并以此作为创立大陆动力学和地球系统动力学理论体系的组成部分,应当是当代地球科学的重要发展方向。

2.3 鲁甸、景谷、康定地震的预测思路

笔者在参与汶川地震之后45天的科技赈灾过程中,几乎天天下雨,不仅看到了地表破裂、喷水冒沙、抛射式碎屑状远程高速滑坡等地震相关现象,而且在多地采访了幸存者。综合各种宏观前兆异常,主要有:震前天气闷热;地下闷响;河井池塘的水位、水温、颜色、气味发生变化;动物异常;地震当天北川中学初二(1)班上物理课时张家春老师演示的指南针不停地乱摆;地震发生时看到拖着黑烟的火球,砂土像火山爆发或大炮发射一样喷出,闻到硫磺等异味。

笔者耳闻目睹地震的惨状和现象,下定了探索地震机理、开展地震预测的决心。在地球系统动力学多级循环假说、热灾害链思想和地震热流体撞击模式的指导下,终于对西南地区2013年以来发生的芦山、鲁甸、景谷、康定等强震均作了准确的长期和中期预测(图2)。

我们曾经阐述了芦山地震的预测过程(李德威等,2013a)。鲁甸、康定地震与芦山、玉树等地震属于同一个地震构造系统和发震系列(李德威等,2014)。因此,本文不再详细叙述鲁甸、景谷、康定地震的预测过程。概括其要点是:在地质构造上,它们沿着中新世以来从青藏高原下地壳非均匀流出产生的川滇菱形块体的东北部边缘构造带,与玉树地震一起,呈串珠状分布。在长期和中期异常上,它们经历了共同的跨年度干旱和后续的气候突变和波动期,与地源热能、水汽等作用有关,“热河”异常流动导致地气耦合,形成热灾害链。而且,在川滇菱形块体的东北部活动的边缘构造带“热河”流域出现了强震空区。由于我们没能掌握“热河”的精细结构,目前还不能十分精准地确定异动热流物质的可能撞击点,这种预测尚处于理论分析阶段。

地震长期和中期预测的基础是热灾害链。初步认为,地震是开放的复杂地球系统中热能驱动不同相态的物质发生多级循环运动的表现形式之一,与其他自然灾害一起,构成有序的时–空–物–能结构。地球四维非均匀热结构导致热流体非均匀流动,不仅成矿成藏,而且致灾致难,并决定了自然灾害的区域性、群发性、连发性、关联性、有序性、迁移性、突发性等特点。因此,海洋之中、大陆内部、洋陆之间、地气之间、天地之间的各种自然灾害常存在着关联性。地球系统在非均匀热动力作用下产生的致灾因子构成时空有序、机理关联的灾害结构,称为热灾害链(李德威,2011,2012,2014a,2014b)。

2004年以来,西南地区自然灾害频发(陈桂凡等,2013)。热灾害链典型结构如图3所示,震前3～6年出现跨年度干旱,伴生森林大火(长期前兆异常);震前 1～2年常表现为异常降雨和气候大幅波动,甚至出现大面积冰冻(中期前兆异常)。因此,地源热流体异常活动及其地气耦合是地震中长期预测的基础,也是预测极端气候事件的一个新思路。

自然灾害连发、群发区域与地热异常区域吻合。在特定地热构造单元热能的源–汇–释量级和过程决定了热灾害链的强度和时空结构。大陆盆山体系中下地壳具有四维非均匀流动特征。地貌、地质、地球物理、GPS、地震、温泉、矿床的综合特征表明(孙洁等,1989;曾融生和孙为国,1992;Royden et al.,1997;Clark and Boyden,2000;Wang et al.,2001;周伏洪等,2002;蔡学林等,2003;李德威.2008b;罗文行等,2008;马宏生等,2008;Burchfiel et al.,2008;Hubbard and Shaw,2009;Wang et al.,2009;Bai et al.,2010;Zhang et al.,2010;郑勇等,2013),青藏高原地壳分层流变显著,深部地壳物质向北流动受阻后转向东流,盆山边界是地貌、地壳厚度、岩性强度的突变带,也是地震多发带。近年来西南地区灾害频发与源于恒河盆地流经亚东、尼木、羊八井、错那、雁石坪、沱沱河、玉树、鲜水河、安宁河、小江的下地壳“热河”中下游异常流动有关,有关内容下面将作较详细的说明。该区段上一次地震活跃期从1970年1月5日号通海7.8级地震开始,其后相继发生了1973年2月6日炉霍7.6级地震、1974年5月11日云南永善7.1级地震、1976年11月7日和12月13日盐源6.7级和6.4级地震、1979年3月15日普洱6.8级地震和1981年1月24日道孚6.9级地震,地震烈度等震线长轴为NW-SE向或近南北向,与“热河”流动方向和热液体撞击形式有关。

图3 西南地区已经发生(a)和正在进行(b)的热灾害链Fig.3 Happened (a) and ongoing (b) thermal disaster chains in the Southwest China

上述地震大爆发事件之后,经过了23年的灾害平静期,于 2004年开始出现灾害群发和连发事件,根据其时空结构,可分解成两个次级的热灾害链(图3)。早期的热灾害链偏北,晚期的热灾害链偏南。

总之,根据热灾害链的时空结构,结合异常活动的“热河”流域灾能(剩余热能)聚散规律及其地震空区分析,对芦山地震和鲁甸、景谷、康定地震进行了较准确的长期和中期预测。

3 鲁甸、景谷、康定地震的预测原理

3.1 流行的地震机理及其存在的问题

自从1901年Reid提出弹性回跳模式以来,人们相信断层运动产生地震。一般认为,大陆构造地震是在板块运动构造背景下,水平挤压力远程作用于活断层,导致活断层闭锁段应力达到强度极限时发生破裂,断层两盘滑动位移,出现反向的弹性弯曲,断面破裂处产生冲击卸载,激发的弹性波向外传播,断层两盘变形岩石弹性回跳并发生位移。

这个模式的核心是弹性体内发生位错和位移。因此,人们努力监测震前断层两盘弹性断块“应有”的显著变形和断裂带“应有”地应力集中。按照此思路一些多震发达国家精心布置了高密度、高精度的监测网络,至今没能成功预测地震。特别是受到美国 Parkfield地震预测试验场的严重打击之后,地震预测的风向突变,地震不可预测成为主流观点

地震真的是弹性体位错而成吗？若如此,震前断层两盘应有十分显著的弹性变形,为何用高精度的GPS等手段测量不到？人们是否忽视了真正的震源物理和震源之下的能量–物质状态而过分强调表浅层次直接观察到的同震脆性破裂现象？震源应当是认识地震成因的关键因素,地震体的物理状态、构造性质、能量来源、物质运动是绝对不能被忽视的。因此,震源孕育过程和灾能聚散规律是解析地震机理的关键。

3.2 热流体地震机理简介

震源体的发育背景、基本结构、物质组成、物理性质、构造样式,是认识地震成因、开展地震监测和预测的基础。震源体周围震前常区域性面状分布与热有关的异常,傅承义等(1979)将这种现象称为“红肿说”,认为断层理论阻碍了地震机理研究和地震预测。正如滕吉文(2010)指出:“一个强烈地震的孕育发生和发展,必须具有一个特异的深部介质和构造环境,及其在力源作用下物质的重新分异调整和运移的深层动力过程。”陈胜早(2006)认为震源一般发育在300～400 ℃的地壳脆韧性转换带。

震源体物质没有直接喷出地表,肉眼无法观察,深钻遥不可及,难以确定其精细结构。然而,根据不同构造单元、构造层次、构造阶段展现的地质现象总结的地质规律,可建立包括地震甚至灾害链的构造模式,阐明地球不同层块之间能量转换和物质运动的基本规律。地球物理探测、高温高压实验、数字模拟也是认识震源物理、震源机理的重要途径。

笔者自从 1990年以来对青藏高原及邻区持续开展地质调查和研究,先后创立了下地壳层流驱动盆山耦合的大陆动力学假说、软流圈层流驱动洋陆耦合并制约大陆盆山耦合的地球内部系统动力学假说、多级物质循环关联运动的地球系统动力学假说、热流体撞击地震成因模式和热灾害链成因模式。这些地学基础理论和应用基础理论的新尝试是芦山、鲁甸、景谷、康定等地震预测的基础,可为大陆地震预测提供理论指导(图1)。

概括起来,简述如下:地球大地构造单元与地貌单元吻合,分为一级的大洋与大陆和二级的造山带与盆地,同级构造单元结构互补、构造转换、建造互换、机理统一、演化同步。两级构造单元之间具有结构、构造、建造和机理的自相似性,并具有关联成因:地球内核在高温熔融的外核中极不稳定而偏离地心(黄定华等,2001),由此引起外核巨量流体的顺层流动,外核的非均匀极高温热流体在核幔边界汇流形成巨量地幔上升热流。不同形态的低密度深地幔热流物质在浮力作用下呈墙状、柱状上涌。墙状深地幔热流物质上涌(地幔墙)构成热线,形成洋中脊;柱状深地幔热流物质上涌(地幔柱)构成热点,形成洋岛。地幔墙热流物质上涌造成上部地幔部分熔融形成软流圈,软流圈溢出低密度的玄武岩形成洋中脊,密度相对较高的地幔半固态热流物质随着不断倾斜的软流圈底面从洋中脊顺层流向大陆,带动仍具有陆壳成分的洋盆水平扩张。流入大陆的地幔软流圈低密度物质造成大陆垂向生长,陆洋差异升降,大陆剥蚀物主要通过河流搬运到海洋。大陆软流圈加厚部位发生线性或点状地幔底辟作用,一方面改变了莫霍面的产状,另一方面引起大陆下地壳部分熔融和固态流变,下地壳固态流变物质侧向流失的区域形成大陆裂谷和沉积盆地,下地壳热流物质侧向流入的区域形成造山带或高原,山脉剥蚀物充填到盆地中，盆山之间地壳物质发生循环运动。

地球内部时空分布不均匀的热能经过一定时间积累之后达到临界状态,在天文事件的触发下,过剩热能快速释放产生不同尺度的构造活动及其灾害–环境效应,一系列关联的突发性灾害连发和群发,引起不同级别的气候环境变化。对于导致恐龙灭绝这样的巨型热灾害链(李德威,2014a,2014b)与洋陆系统热构造强烈活动有关,地下热能经过长时间积累到一定程度,岩浆侵位形成大陆超级干旱,海洋出现热喷泉,洋陆同步发生超级火山喷发和岩体侵位,巨量温室气体溢出,海水大幅度升温和缺氧,风暴潮频发,海洋生物灭绝。陆地火山发生碎屑流和岩熔流,引发森林草原大火,火山和植物燃烧释放巨量二氧化碳,导致地球内部释放出的热量不能向外层空间扩散,地球气温升高,氧气含量急剧减少;火山喷发释放大量的二氧化硫,与大气层中水汽混合形成酸雨。随着火山岩浆作用持续进行,地壳释放大量热能后逐渐变冷,同时火山灰、二氧化硫和燃烧产生的灰烬遍布地球上空,反射太阳辐射热能,进一步造成地球浅表层变冷,进入冰期。同时大批陆生植物死亡,在低温环境下易于保存,形成煤层。随着地球内部热能再积累,在地幔和下地壳热流作用下冷而脆的大陆上地壳发生公里级的断裂,洋陆相互作用区发生更大规模的变形，形成无数群发和连发的里氏12级以上地震,部分地震引起海啸,热喷泉、滑坡、岩崩和泥石流。通过构造活动、地震、热喷泉等释放的热能、水汽改造冷凝的大气混合物,形成大范围巨量降雨,超级洪水强烈冲刷和剥蚀山脉,盆地同步形成巨厚(km 级)的砾石层不整合覆盖在下伏地层之上,陆生动物最终灭绝。这种巨型热灾害链能够彻底改变地球环境,可能是海洋生物、陆生植物和陆生动物锐减甚至分批灭绝的根本原因。

西南地区正在发生微型热灾害链,其时空结构、演变过程和形成机理基本类似于巨型、大型、中型和小型热灾害链(李德威,2014b),但是其孕育背景、热能量级、致灾作用显著不同。陆内微型热灾害链与地幔墙、地幔柱底辟和软流圈层流没有直接的关系,而且热能积累时间短,到不了洋陆耦合、盆山耦合峰期大规模熔融岩浆垂向上流的程度,而是地壳局部非均匀固态流变物质侧向异常流动产生的灾害效应。

对于陆内地震而言,大陆非均匀的物性结构和热结构决定下地壳流动具有非均匀时空结构。在下地壳流层中出现热流体线性富集带(称为“热河”),当“热河”中热流体在天体触发或因自身流量、流速、流向突变而发生异常流动,以俯冲、上冲、侧冲和斜冲的方式撞击周边坚硬围岩,受到爆轰的中地壳形成点状震源,震源附近热能转化为机械能,通过上地壳脆性断层活动和地表破裂释放出来,形成地震。上地壳破裂系统加剧了包括水汽在内的地下气体的释放,改变了局部的大气格局,形成异常天气。

根据上述假说或模式,震前不同阶段会产生一系列与热流体异常有关的前兆,以此为基础建立地震及其关联灾害的动态立体监测与预测系统,不仅可作为地震及其关联灾害预测的一个新思路和新途径,而且是检验地学基础理论与基础应用理论新体系的重要标准。图1是上述假说应用于地震预测的演绎部分,然而,要创立系统的地学理论体系,有赖于大量事实的归纳和新事实、新预测的反复检验,科学假说才有可能上升到科学理论,更好地指导实践。

地震预测和地震机理的复杂性在于震源通常出现在地下10 km之下的中地壳,人们只看到地震发生后的地表破裂,易于片面强调断层的作用。虽然我们无法直接观察到现今的震源物质,直接测量震源物理量,但是大量的地质和地球物理现象、高温高压实验、数值模拟和地震前兆表明:垂向上,地震常发生在脆性上地壳与韧性下地壳之间的韧脆性转换带;横向上,地震常发生在地壳厚度和岩石强度突变带;物质上,沿着下地壳四维不均匀流变带(“热河”)的半固态、固态物质点式作用于具有显著强度差异的分层分块物性界面;构造上,下地壳韧性流变与中地壳韧–脆性转换和上地壳脆性破裂密切关联;能量上,震源之下高能域的地热能通过震源层应变能积累与转换制约震源之上低能域的机械能。高分辨率地震层析成像可获得震源区精细的速度结构,一些大地震的震源位于低速–高导层与高速–高阻层之间,与韧脆性转换及其热流体非均匀作用有关。

需要强调的是,地震机理必须遵循热力学第二定律,发育在大陆地壳分层流变构造系统韧–脆性转换带的地震能量,只能来自更高能的下部韧性区域,不可能来自更低能的上部脆性区域。若果真如此,必然出现重大的观念转变:断裂是表,热流是因,地震是果。仅就地震与断裂而言,前者是因,后者是果。如今因果关系倒置,因此得出地震无法预测的结论。

在大陆地壳非均匀分层流变构造系统中,局部热能集中区带的下地壳韧性流层中,半固态、固态流变物质持续缓慢地流动产生活动的顺层韧性剪切带,通过中地壳韧–脆性滑脱层的变形调节,实现热能–应变能–机械能转换,导致上地壳断裂和地表层破裂。震前地壳表浅层次构造变形及其增量应变并不明显,可能出现微量的地倾斜、地面升降,有时产生地表塌陷和抛射式滑坡。上地壳及表浅层突变性的破裂、位移只能是同震构造。地壳深部热流体的异常流动,会在相应的时空结构中出现热、甲烷、二氧化碳、氡、地下水、电性、磁性、重力、波速、地声、气象、某些元素的同位素、水文、天文观测、生物等异常,它们是地震预测的基础。从热流体撞击地震模式出发,应当加强短临地震监测区多层次地源异常热能及其相关的尾波Qc值、S波分裂、泊松比等的动态监测和综合分析。例如,Aki (2004) 研究圣安德烈斯带地震与尾波Qc值之间存在时间关联性,认识到地壳韧性层与上地壳脆性层之间发生相互作用,地震的动力来源可能是脆–韧性转化带。

3.3 鲁甸、景谷、康定地震的机理分析

上述从地球系统到地震机理的系列创新思想是认识汶川、玉树、芦山、鲁甸、景谷、康定等地震机理的基础。限于篇幅,除去细节,阐述如下要点:

(1) 青藏高原东南部地震孕育的构造背景。大陆一般经历基底演化、洋陆演化和陆内盆山演化三阶段地质构造过程。青藏高原及邻区经历了太古宙–古元古代结晶基底和中–新元古代褶皱基底形成阶段、原特提斯–古特提斯–中特提斯–新特提斯及其相关古陆向南有序迁移阶段和青藏高原北东部燕山期、中部喜马拉雅早期和南部喜马拉雅晚期的盆山耦合阶段和3.6 Ma以来青藏高原整体均衡隆升阶段(李德威,2008b;Li,2010,2013)。青藏高原东南部地震活动与燕山期以来的陆内构造过程有关:燕山早期带动太平洋生成和扩张的地幔软流圈物质层流至四川盆地聚集加厚,底辟上升,四川盆地下地壳热软化物质从中心向外层流,周边山脉下地壳加厚并同步隆升,龙门山造山带同期形成。燕山晚期以来,四川盆地逐渐冷却,基底固结硬化。喜马拉雅晚期(中新世)印度洋地幔软流圈物质层流至恒河盆地加厚并底辟上升,恒河盆地下地壳热流物质向北不均匀流向青藏高原,喜马拉雅造山带同步形成。由于源于恒河盆地的下地壳层流仍在进行,下地壳不均匀流动在青藏高原及邻区地壳加厚过程中形成三角形发震构造域(李德威等,2014)。从地质、地震、地球物理综合分析,三角形发震构造域内部存在 7条源于恒河盆地向北流动的下地壳“热河”(李德威等,2009,2013a;李德威,2010),驱动多震域向北漂移,从东到西为:(1)错那–桑日–墨竹工卡–嘉黎–波密–察隅–保山–耿马“热河”;(2)亚东–尼木–羊八井–错那–雁石坪–沱沱河–玉树–鲜水河–安宁河–小江“热河”;(3)定结–谢通门–申扎–双湖–西金乌兰湖–库赛湖–冬给错拉湖–迭部–舟曲及平武“热河”;(4)老定日–锁作–许如错–当惹雍错–依布茶卡–朝阳湖“热河”;(5)浪强错–打加错–扎日南木错–扎西错“热河”；(6)亚热–森里错–仓木错–美马错–清澈湖构“热河”;(7)普兰–扎达–扎西岗–印度河“热河”。这些“热河”上游的宽度、流量、能量较大,下游宽度、流量和能量较小,但是支流和撞击点多,因而在中新世以来形成的青藏高原仍具活性的中下地壳与燕山期形成现已固结的塔里木、柴达木、四川、鄂尔多斯等盆地基底之间构造边界带易于发震。李德威等(2009)首次提出下地壳存在“热河”,主要依据强震沿着高热流异常带和磁异常带的地堑(裂谷)分布,也是中新世以来金属矿床成矿带的集中部位,地壳尺度的线性热隆伸展构造显著。大地电磁测深获得的青藏高原东南部电性结构(Bai et al.,2010)证实两条与推断的“热河”吻合的下地壳非均匀流动通道。亚东–尼木–羊八井–错那–雁石坪–沱沱河–玉树–鲜水河–安宁河–小江“热河”中下游呈串珠状分布的玉树、汶川、芦山、鲁甸、景谷、康定地震正是孕育在这种地壳热活动构造背景中。应当一体化开展“热河体系”的地质–地球物理–地热–地震及其相关灾害–矿床–地壳(工程)稳定性–环境变化的理论研究、系统勘查、效益评估和综合利用。

(2) 垂向上的强弱边界与多震层。近 20年来,确认大陆地壳分层流变是超越刚性岩石圈板块的突破口之一。陆内地震不是脆性断层造成的,而是流固耦合的结果。大陆下地壳因异常热活动而富含流体的韧性层抗剪能力弱,由于盆山体系莫霍面倾斜,在重力、剪切力、惯性等作用下半固态–固态流变物质易于发生顺层流动。非均匀流动的下地壳与其上的固体壳层之间通过顺层韧–脆性剪切带与上地壳脆性层调节,因此,具有顺层滑脱性质的中地壳韧–脆性剪切带才具有吸热储能和热能–应变能转换功能,当积蓄的地震能量达到边界条件或外界触发而发生地震。过量热能导致热流体异常运动,在非均匀活动地壳内部和边缘多点撞击构成震源层。脆性上地壳先期产生的断层带是震前热流体良好的外溢通道,也是发震时优先但不是唯一的灾能突然释放区。

统计分析表明,青藏高原地震震源集中分布在15～40 km的深度范围,其中30～33 km深度是一个优势层(罗文行等,2008,2012)。南北构造带南段多震层主要分布在地下10～15 km,33 km附近地震也较多。壳内多震层与其下的低速层、低阻层密切相关,青藏高原东部下地壳存在向东非均匀运动的高温富含流体的部分熔融层,与刚性的四川盆地形成鲜明反差,中下地壳波速、电性的各向异性与地表GPS的动向耦合特征反映了下地壳非均匀流动的方向。

(3) 横向上的强弱边界与撞击点。活动的大陆下地壳存在四维非均匀流变特性,不仅垂向分层流变,而且横向分层流变,还存在时间上的动态演变。下地壳“热河”与两侧的固体岩块之间存在流固作用,“热河”的产状、形态及其内部固态、半固态流变物质的温度、流体类型与含量、黏滞性等决定了异常流动状态和撞击时的入射角和撞击点位。从热流物质异常流动到爆轰围岩,由连续变形运动到加速突变运动,在地壳、土壤圈、生物圈、水圈、大气圈都有不同程度的动态响应。地声、火球、大气甲烷含量的突变、碎屑状抛射滑坡等说明中上地壳在富含甲烷、二氧化碳等热流体的撞击下可能伴随甲烷爆炸。瞬时高压冲击波改变了震源体及周边岩石的力学状态,甚至发生构造和岩石重组,如假玄武玻璃的形成。主流线方向、强弱边界产状、热流体入射角与撞击点的关系决定了震源机理及其固体上地壳弹性波(纵波、横波、表面波)的传播方向、路径和范围,影响地震烈度分区。烈度图等震线长轴方向一般平行于强弱边界。主流线与强弱边界平行形成走滑型(或侧冲式)地震,玉树、鲁甸、康定地震位于上述“热河”的东北侧,应属于此类。主流线与强弱边界直交形成逆冲型(包括仰冲式和俯冲式)地震,芦山地震属于逆冲型(或仰冲式)地震。主流线与强弱边界斜交形成逆冲兼走滑型(或斜冲式)地震,汶川地震属于此类,而且沿着龙门山从映秀主震区向北东方向,热流体撞击方向与强弱边界之间的交角变小,走滑分量增大。

郑勇等(2013)利用地震台网数据采用层析成像方法和远震接收函数分析方法,获得了南北构造带中段精细的S 波速度结构、地壳厚度和泊松比分布状况,显示汶川、芦山地震均位于地壳厚度和波速结构剧烈变化梯度带,地震深度处于从均匀波速结构向非均匀波速结构的过渡带。鲁甸、景谷、康定地震产于与汶川、玉树、芦山地震类似并关联的地壳分层流变构造环境,但是横向流变结构有所不同,青藏高原活动弱地壳与四川盆地热耗散固结硬化的强地壳之间的构造边界在雅安至石棉一带发生转折,燕山期四川盆地与周边造山带同步盆山耦合,盆地NW侧的盆山边界呈NE-SW走向,SW侧盆山边界为NW-SE走向。中新世以来,从恒河盆地向北不均匀流入青藏高原的下地壳热流物质,受到塔里木、柴达木盆地固结地壳的阻挡后转向东流;沿着“热河”支流大角度流向四川盆地的热流物质除了造成龙门山造山带地壳活化、伴生仰冲型地震外,大量的热流物质受阻后转向分流,一部分汇入东昆仑–西秦岭构造结外泄,沿着固结的鄂尔多斯盆地南部、东部和西部边界流动,形成线性热隆伸展地震活动带;另一部分汇入带动川滇菱形块体向 SSE方向运动的鲜水河–安宁河–小江“热河”,“热河”流向与两侧强度差异显著的构造边界近于平行或呈小角度相交,在“热河”转弯或“河岸”突出部位易于发生侧冲型或斜冲型地震。鲁甸、康定地震主要受NNW-SSE走向的鲜水河–小江下地壳“热河”非均匀流动过程中半固态流变物质侧向撞击强弱构造边界,物质流变方向与等震线长轴平行,类似于玉树地震,为走滑型(或侧冲式)地震。景谷地震位于近南北向小江下地壳“热河”的南缘,处于 NW-SE走向保山–耿马“热河”的结合部位,可能与小江下地壳“热河”西侧的侧冲作用及其对保山–耿马“热河”北侧硬块的撞击作用有关。

(4) 灾能(剩余热能)的源、汇、释(泄)与地震平静期–活跃期转换。从本质上说,大陆下地壳四维非均匀流动是热能源、汇、释动态平衡过程。对于汶川、玉树、芦山、鲁甸、景谷、康定等地震和青藏高原的地震而言,下地壳是灾能源区,增量热能从恒河盆地通过非均匀下地壳流动实现远程输送;中地壳是灾能汇区,传导至中地壳的下地壳热能导致固态相变,转变成应变能;上地壳是灾能释区,当中地壳应变能积累到临界状态,在下地壳“热河”加速运动作用下,所积累的应变能通过上地壳断裂活动和地表破裂释放,发生系列地震;对于青藏高原“热河”而言,地幔软流圈层流和底辟是源区,恒河盆地下地壳是汇区,青藏高原及邻区的“热河”是泄区。还应当从时间上认识热能收支与灾害演变,对鲁甸、康定等地震有关“热河”中下游而言,1981～2004年是灾害能量孕育期,不断积累增量热能,源、汇难分;2004年至今,通过跨年度干旱、潜热及水气蒸发、排气、地震、抛射式滑坡、天然矿难等灾害活动不断释放剩余热能,自从汶川地震以来总体上震级呈递减之势,剩余能量释放强度减弱。

4 讨论与结论

本文归纳如下5点仍有待深入探讨的重要认识:

(1) 地震能够预测。理论上,地震是一种构造现象,构造是一种地质现象,地质是一种地球现象。地球如人,热流似血。具有生命力的地球是在热能作用下由热流体非均匀运动产生各种关联现象,在开放的复杂地球系统中展现出能量–物质动态演变规律。因此,从地球系统动力学角度认识洋陆及其盆山构造与建造的物质运动规律和能量转换过程,解析地震及其相关自然灾害的机理,能够认清地球多尺度动态演变规律,也是科学预测地震的指导思想和理论保证。实践上,我国在20世纪70年代中期就成功地预报了海城地震和松潘地震。近年来笔者对芦山、鲁甸、景谷、康定等地震作了长期和中期预测,说明地震是有规律可循的。我们不能只盯着震后都很难确定、更不知道是否连接到温度大于 300 ℃的震源区的发震断层,也不必无休止地争论地震能否预测。针对我国目前仍然十分严峻的震情,当务之急是联合跨部门、多学科的专家切实开展地震科学预测,建立新型专群结合的群测群防体系,再创地震预测预报的辉煌。今后工作重心应当前移,在热异常多灾区实施取热减灾减排宏伟工程。

(2) 在创新地学思想指导下中长期预测了芦山、鲁甸、景谷、康定等地震。1992年以来,笔者提出了下地壳层流驱动盆山耦合的大陆动力学假说、软流圈层流驱动洋陆耦合并制约盆山耦合的地球内部系统动力学假说、地核和太阳热能共同驱动地球多级物质循环的地球系统动力学假说、热流体撞击地震成因模式和热灾害链成因模式,并在此基础上总结了地震预测的思路、方法和步骤,分析了川滇菱形块体东北部边界构造带 2008年以来发生的串珠状地震及其相关自然灾害与亚东–羊八井–玉树–鲜水河–小江下地壳“热河”异常运动的关系。在热构造孕震环境下,根据热灾害链的时空结构,结合灾能(剩余热能)的源–汇–释(泄)及其关联的“热河”地震空区分析,进行地震的长期和中期预测。芦山、鲁甸、景谷、康定等地震的长期和中期预测就是按这一思路进行的。

(3) 初步阐述了陆内地震热流物理综合预测的原理、方法和步骤。按照多级物质循环地球系统动力学假说,洋陆之间、盆山之间、流固之间、地气之间、天地之间都存在物质和能量的有序交换。不同温度的热作用导致地球固–液–气相物质转换,熔融的低密度岩浆在浮力作用下向上流动不仅形成侵入岩,而且导致火山活动;固态、半固态流变物质在重力作用下侧向流动,形成顺层韧性剪切带,大陆下地壳顺层韧性剪切带与上地壳脆性破裂带之间的韧–脆性转换带是地震能量积累和转换区,也是震源层。因此,不同级别的热灾害链会出现热流体异常及其各种关联异常有序的时空结构,根据热灾害链时空结构及其能量聚散规律,可开展长中期地震预测;根据热流体前兆异常及其关联前兆异常时空强结构,可进行短临地震预测。如果在中期预测圈定的短临地震预测区开展高精度动态监测获得精细连续的地震波速结构,并在临震期实施地空联合流动加密监测并进行灾情速报,将大幅提高地震预测水平,取得巨大的减灾实效。

(4) 根据热灾害链的时空结构,进一步分析我国西南和华北的地震形势。笔者初步认为,西南地区正在发震的热流通道中 30多年积累的灾能大部分已经释放,从汶川地震到康定地震,震级有减小的趋势,未来 3年内向南漂动的川滇菱形块体东北部边缘带“热河”流域还可能发生2～3次里氏6.5±0.5级地震。此外,还要重视川滇菱形块体东南侧错那–桑日–墨竹工卡–嘉黎–波密–察隅–保山–耿马“热河”的异动,未来的强震群发带将转移到东构造结及其川滇菱形块体西南部边缘带“热河”流域。近期需要引起极度重视的是华北的震情,特别是东北的震情危急,热灾害链时空结构明显(李德威等,2013b),近期气象异常波动,已经演变到短期地震预测阶段。因此,在中长期预测区(李德威等,2013b)建立新型专群结合、群测群防地震预测体系,开展以热流体前兆异常为主线的立体监测和短临综合物理预测,已经刻不容缓！

(5) 取热减灾减排,是防灾减灾的根本途径。地震不是弹性体内的位错,而是分层分块分时非均匀流变系统中的热流体撞击。正如人体血液流动一样,地球热流体也发生非均匀流动,大陆下地壳“热河”是具有剩余热能的高温系统,热以传导、对流、辐射的方式向低能的中上地壳和大气层传播,经过一定时间积累的增量热能以灾害链的方式释放。因此,热能转变为应变能、机械能的自然过程是成灾事件,热能转变为机械能及其电能的人为过程则是造福工程。我们应当充分地认识到主动取出剩余热能变宝、被动释放剩余热能成灾的重要性,从“热河”中系统开发地热能,特别是从震源层之上的干热岩中抽取产生地震的剩余热能,在“热河”关键部位建设大型梯级地热发电站,必定能够从根本上减灾减排,快速走上可持续发展之路,推动人类与自然的协调发展。

致谢:感谢审稿人邓志辉研究员对非共识的宽容和对文稿的修改意见。本文是在与众多地震专家的交流和指导的基础上完成的。以此深切悼念为地震事业贡献了毕业精力的李均之先生和赵玉林先生！

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