地震的地空监测与预报



地震的地空监测与预报

Л.Н.ДодаО.В.Мармынов

Л.А.ПахомовВ.Л.НамягановИ.В.Смепанов

0引言

从罗蒙诺索夫和康德的时代到当今，科学家们一直在尝试破解地震的原理，确定其形成的可靠征兆，并在此基础上做出可行的精确预测。本阶段已取得较好的长期预测，更好的是能通过回顾所选定的不同等级的地球物理征兆来“预测”之前发生的地震。本文介绍了一种解决地震预测及其前兆监测问题的方法。该方法基于：地震的孕育具有全球特性，并呈现出一系列全球性地球物理征兆，而地震爆发时会出现自然(地磁扰动)或人为因素的电磁脉冲。因而，解决地震预测这一课题其实就是解决地震孕育和爆发的反演课题。

1地震构造成因概念——解决地球物理问题的关键

俄罗斯宇航局“俄罗斯太空系统”开放型股份公司的地球运行监测科学中心提出了“地震构造成因”(STG)概念及地空监测地震前兆的方法。“地震构造成因”概念是地震孕育及爆发机制中的反映其相互作用和次序性的一系列规律。我们逐一列举这些规律及简要描述其物理本质[1]。

1.地壳与地球本体由于外太空以及地球内部的原因而发生的质量位移与相互作用，反映在重力场梯度频率的变化系列中[2]。

2.氢在地壳中的迁移及其与地球介质相互作用改变了其理化和力学特性，成为质子大地构造运动成因的基础[3，4]。

3.在“太阳-行星间磁场-地磁场-地壳”链中，质子与电子迁移构成了全球回路，维持了其在地壳中的平衡，并提供了地震孕育与爆发的结构。

4.重力场异常、地球自转与公转的不稳定性、质子在地壳中的扩散、大地电流场、互相之间的因果关系，以及地震构造运动过程，均促使地震孕育阶段出现前兆。所标注的异常在时间与地点上的吻合，可以揭示未来M6.0以上大地震即将到来。

5.地震孕育与爆发阶段在地壳局部区域出现的地震构造反应，就是全球地球物理异常的局部体现。作为该类异常之一，地震构造云能指示潜在地震的震级，并圈定其孕育区域的位置[1，5，6，7]。

6.地震构造运动过程的爆发具有磁力子午线方向性，可通过扰动的地磁力线管在大地水准面投影，并由该投影的一系列地震链来确定。

7.可引起一定等级地磁扰动的太阳地球效应现象，是地震爆发前14天和(或者)22天的触发机制决定因素，进而可计算出潜在地震日期。

1～6条依次提到的规律，决定地震爆发机制的必要条件，同时又常是充分条件(第7条)。在此概念的基础上解决了下列问题：

1.建立地震孕育及爆发的机制。

2.在地空监测数据的基础上，制定地震孕育分析与揭示前兆的算法。

3.地震时间可提前2～3周确定，地点位于圆形区域7°范围内，并利用显现的地震构造云确定震级，从而实现地震的中期预测[1，6]。

4.对于地震孕育及爆发征兆的日地物理数据，建立地空监测与收集系统[9]。

5.用于地震预测及前兆监测，建立地理信息系统的基本元素[8]。

6.在各个地震危险区域(中国台湾、俄罗斯勘察加、日本、地中海、中美洲、美国加利福尼亚)成功进行了一系列地震预测及监测试验[1，8，9]。

7.监测到了核武器试验(2009年5月朝鲜核试验)征兆，以及在2009年12月～2010年1月间的地球物理试验征兆(该试验引发了1月12日在海地以及2月27日在智利的超级大地震)。

8.研制一系列有前景的航天设备仪表，用于地震监测；研究带有地震预报性质的地球物理数据接收、加工和验证方法。

2地震征兆分析算法

基于“地震构造成因”概念的规律，算法包括两步：

第一步：地空监测系统记录能预测大地震发生的全球地球物理异常反应。在许多等级征兆交叉区域，异常的时空相吻合必可揭示大地震即将来临这一事实。获得这一日期后的3～4天里，地震构造云指示的全球航天监测密度应升高，在最近的大地构造单元处(板块边界、块体与断裂边界)加密其观测区域。

第二步：使用有关方法确定潜在地震的参数，即发震时间、地点和震级。此时，3小时行星地磁Кр指数的相邻数值之差不小于2小时，地磁扰动的存在就是地震来临的充分条件。但强烈电磁脉冲的爆发也可能是人为的。

最主要的分析算法列举如下：

1.查明全球地球物理异常，根据各种级别征兆异常在时间和地点上的交叉情况，编辑地球物理征兆群。

2.在第1节确定的日期时段内，进行全球太空监测，并调查地震构造云指示的卫星照片，继续监测至第3节规定的时间。对地震构造云指示最明显的区域进行定位。编辑云征兆群。

3.覆盖第2节描述的区域的磁力线管出现地磁扰动时，则表示2～3周后有可能发生地震。

4.在含有大地构造单元边界区域(板块、岩块和裂面)，确定地磁力线管扰动的7°扇形交叉区域。

5.对第1，2，3，4节确定的重合区域进行分析，选出地震构造云指示的最大伸长值，假设为D，根据公式M=lnD/D0，其中D0=1km，计算出可能的震级。

6.利用地理信息系统和地球物理数据库建立潜在地震的预测图。

7.在2～3周的预测期内，跟踪观察地球物理与地震数据，并在必要时作相关分析。

所制定的预报记录存档在俄罗斯地震危险预测专家委员会，其中有一些资料将定期上传至地球运行监测科学中心的网站www.ntsomz.ru和国立图拉大学预测中心的网站www.nadisa.org。

3海地大震灾难：古怪的征兆、预测和始料未及的后果

这是“地震构造成因”概念的一次实践，也是基于此概念研究出的ZMT征兆分析算法的现实运用之一，即成功预测到2010年1月12日的海地灾难性大地震，受灾人数达20万以上，首都太子港被完全摧毁。我们的课题内容中出现了一个问题：此次地震的征兆被专家们发现了么？是的，我们在地震来临之前很久便发现了。2007年，美国研究者E·Calais和P·Mann使用全球定位系统测量发现了恩里基约主断裂之一存在异常位移。于是将观察结果汇报至美国地球物理联合会(AGU)的大会上，除此之外，还对海地未来几年发生强烈地震的可能性做出了预测。专家们将该研究告知了海地政府。但政府并没有任何的反应和作为。除了基于全球定位系统与其他技术测定的潜在地震危险区域，地球运行监测科学中心的专家们还把海地的预报资料写入自己的论文中。这些潜在地震危险区域包括：墨西哥西海岸、日本本州岛东北、俄罗斯千岛群岛—勘察加区域、土耳其。上述这些区域上空都在进行持续的卫星云层监控，目的是为了发现地震云指示。

强烈地震孕育还有一个重要征兆是2009年12月8～15日记录的重力巨大异常，它是用国立图拉大学预测中心SHGM-2，3，4站记录的(站点开发者及中心科技主任为技术科学博士О·В·Мартыюв教授)。12月9～10日实际上所有被分析的地球物理5级征兆中，都发现了类似的明显异常(见图1)。根据分析计算和发现的地震征兆，对几个区域进行了大地震预测，其中一个区域就是中美洲地区的加勒比板块。2009年12月11日的预测被存档在俄罗斯地震危险预测专家委员会。2009年12月25日在俄罗斯科学院地球物理研究所，对重力巨大异常及灾难性可能来临作过汇报。但是该汇报(Л·Дода)并未引起地球物理专家们的兴趣和重视。而此后发生的灾难说明，这个信息非常重要，在某种程度上来说是独一无二的。

2009年12月21日，预测信息在俄罗斯科学院地球物理研究所和俄罗斯生态联盟会被拖延至2010年1月18日，可能的震级确定为7～8级，震源锁定在两个潜在危险区域：勘察加或者加勒比板块的加利福尼亚—墨西哥地区。12月30～31日在加勒比板块上空出现了稳定的地震构造云指示，更进一步确定中美洲地区即将发生大地震(图2)。最长的云指示分布达1 000km。根据公式M=ln1000≈6.9，误差±0.2，计算出了可能的震级。之后表明，海地地震的实际震级为M7.0。

图1　2009年12月地球物理巨大异常征兆。y轴表示2009年12月8～9日的重力测定数据，x轴表示根据SHGM-3重力梯度仪1，2，4道测出的卡文迪许扭秤的角偏移值。2009年12月10日大地电流的异常跳动值为1700/2000mV/km。质子从2009年12月9～10日按ЭЛ固定值位能的异常跳动。根据GOES-14卫星数据得到的X射线数据

图2　2010年1月12日海地地震前的地震构造云指示

图3　图拉台站SHGM-3仪记录的重力异常图，包括在特罗姆瑟市EISCAT设备上记录的输出功率。上图表示超高频和甚高频(上图的x轴表示2009年12月9日从00∶01～23∶42的小时数，下图表示2009年12月8～15日)

随后于1月9～11日记录到异常征兆。其中最有意义的异常是钱德勒磁极位移轨迹异常。1月9日Demeter地震电磁监测卫星飞过海地上空时记录到电离层电子密度异常，以及1月9日在俄罗斯勘察加彼得罗巴甫洛夫斯克的Kosmometeotektonika站记录到质子扩散异常。那么，俄罗斯勘察加的质子异常和海地的电离层电子异常有何关联？答案就在“地震构造成因”概念第5项规律中，即关于全球地球物理异常的局部显现及文献[2]概念(原理2)。这个规律改变了地震征兆的传统观念，使得在地震孕育与爆发结构机制中出现了一个崭新而又更总体的阐述。根据文献[2]，由于极化过程同其相对补偿过程综合作用的结果，在地壳中该构造机制形成过程中，起主导作用的是位能的超低频变化过程(极低频，f<10-2Hz)。而高频过程处于从属地位，只在极化结构形成的最后阶段才显现。如此超低频过程的带宽使得远距离监测和记录成为可能。诚然，在全球分布的传感器上都监测到了不同等级征兆的异常，依照古典概念的思路，可能认定在异常记录区域正在孕育地震。遗憾的是地震往往没有发生，于是有古典概念的学者们就说是虚假前兆。从“地震构造成因”概念以及极化的相互关联介质的理论角度来看[2]，处于能量极度充实状态下的地球物理介质，如满足前面所述1～6个必要条件，在自然或人为发出的电磁脉冲的作用下，该介质将永远处于释放地震构造能量的状态下。例如，受太阳的地球效应影响而产生地磁扰动。通常，这样的影响具有触发作用。根据第7项规律，在一定等级的地磁扰动后的第14或者第22个昼夜，根据7个昼夜谐波对地震爆发的触动机制作了分析处理，海地地震时未发现以地磁扰动出现的这类自然影响作用。

然而，覆盖在加勒比板块上的磁力线管监测到了一系列的异常扰动。2009年12月10日Demeter地震电磁监测卫星飞过海地上空时，监测到电离层电子密度高异常。根据所获信息，地磁力线管异常的原因可能是在阿拉斯加和波多黎各利用高频主动极光研究计划(HARRP)设备对电离层进行了加温试验所致。用极化补偿概念与ZMT触发机制理论，该推测得到了充分解释。于是在2009年12月9日6～9时(图3)，特罗姆瑟世界时记录的功率输出迴形图和图拉SHGM-3台站记录的异常图，它们之间的同步性就显得不那么费解与神秘了。质子与大地电流值异常的同步出现于2009年12月9～10日在勘察加半岛的质子记录站和日本北海道的监测站也记录到了。

图4.1　特罗姆瑟热试验台的工作(白点)对布拉瓦火箭发射故障(预计飞行轨道用白虚线标出)的影响

图4.2　2009年12月9日在挪威上空的螺旋状结构

图5　澳大利亚上空的圆环状结构(2010年1月22日)证实为某协调性试验对电离层的全球性(周期性)影响。2010年2月27日的智利8.6级大地震可能就是此类试验的结果，2010年2月26日在智利上空监测到类似的圆形结构也证实了这一点。因而，波多黎各和阿拉斯加同时进行的高频主动极光研究计划实验导致电离层的等离子体分布不均匀，所形成的等离子团能反射一定频率讯号，后者可能引发既定地区的地震(不一定是在试验台上方或者沿着磁力线管发生)，在海地周边这两处都出现过

在岩石层与电离层的构造关系中，运用极化过程与补偿过程的全新理论，该征兆可揭示全球地球物理活动的影响。该技术由Н·Тесла[10]制定并使用。此外，2009年12月6～22日，覆盖特罗姆瑟的震磁子午线7°带内(地磁力线管集合区)马拉维地区(非洲)发生了4次M5.8/6.0的地震。亚丁湾和埃塞俄比亚也发生了M4.5/3.5的一系列事件。上述地震未排除人为引发因素。根据一系列地球物理征兆，记录到了阿拉斯加与特罗姆瑟两地设备工作的同步性。同步最为明显的日期为2009年12月9日，发现在世界时06∶00～09∶00三个时间段内同步(见图3)。更可信的论据将在特别研究报告中提及。报告中对2009年12月9日从白海水域发射的布拉瓦火箭故障所受的影响，对特罗姆瑟热试验台工作进行了分析。支持这一推测的基本论据如下：

(a)世界时6∶40～6∶45时间段内，热试验台能量功率输出时间与火箭发射台事故时间相吻合。

(b)大气中出现螺旋状结构，该现象为这类作用所特有(图4.2)。

(c)由于试验台热辐射的作用，在电离层中形成了显著规模的等离子非均匀体。

(d)因在已形成的等离子非均匀体中落入了大箭体，由此可能造成电力或自动化设备的故障，进而引起了不可逆转的后果。

值得一提的是，1986年SOI联合计划中美方曾提到过作为其中一环的类似系统(Авраменко博士计划)。挪威的实验表明，在实践中该古老设想在上述的某个方面得以实现。而这一系统的进一步实验将导致无可预知的后果(图5)。

4日本大地震：预测、征兆与后果

2011年3月11日，日本发生了9级大地震。震源位于海底24km深度处，距离本州岛东北沿岸125km。该地震引发了强烈海啸，浪高达到约10m，速度400～600km/h。海浪在10～15min内到达海岸边，成为造成90%人员伤亡和房屋损毁的祸首，其中最可怕的后果就是福岛一号核电站事故。

2011年3月11日的日本大地震成为自20世纪以来世界上最大的5次地震之一。其余4次分别为：1960年智利9.5级大地震、1964年阿拉斯加9.2级大地震、2004年苏门答腊岛9.1级大地震、1952年勘察加9级大地震。日本历史上从未发生过类似强度的地震，值得一提的是1896年本州岛北部三陆沿海发生的M8.5强震，这次强震引发了浪高25m的海啸，伤亡人数超过27 000人。1923年的关东大地震(M8.3)是日本伤亡人数最多、破坏程度最大的一次地震。

4.1未曾重视的预测

由此必然会产生对日本大地震预测这一问题。是的，当时有过这类预测。其预测经过了严密的数学计算。В·Кособоков博士在M8算法的基础上计算出可能在本州岛东北部会发生8级以上大地震。该预测自2002年起就公布在МИТЦАН网站上，但出人意料的是在2011年1月，日本每半年例行的警报被取消。2005年С·А·Фецотов院士在曾发生大地震的区域发现了地质构造裂缝。在日本地震学家和地球物理学家的一些地震预测图上，在本州东北潜在地震的危险区出现了危险指示。这在之后不止一次地被全球定位系统卫星数据及板块运动干涉测量所证实。

图6.1　日本地震孕育的地球物理征兆。y轴表示重力测定日期：2011年2月10日至2011年3月8日，x轴是SHGM-3重力梯度仪1，2，4角偏移曲线；ОНЧ，ВЧ是特低频及高频过程

图6.2　日本地震孕育的地球物理征兆。地球自转参数[x，y轴分别为角位移(ms)曲线，日期标在附近点上]

图6.3　日本地震孕育的地球物理征兆。质子数据(Космометеотектоника站，彼得罗巴甫洛夫斯克勘察加市)、美国GAKONG站的地磁变化数据。上图和中图：x轴表示以一定单位设定的日期，y轴为毫伏单位的位能值；粗体数字标示质子异常的日期；下图：x轴表示2011年3月9～11日，时间间隔为4小时，y轴表示地磁感应，单位为毫微特斯拉(nT)

俄罗斯地球物理学家、数学家А·Любушин预测到日本将发生M8.5～9的高强度地震，可能发生的时间为2010年7月，该预测于2008年11月通报至日本方面，2010年4月，该预测在俄罗斯地震危险预测专家委员会记录备案。后来国立图拉大学地震预测中心的专家们在О·В·Мартынова教授的主持下，预测到仙台地区将发生M6.5～7大地震，发生的时间可能在2010年7月。图拉大学预测专家们向日本驻俄罗斯大使馆发送了关于可能发生高强度地震预警的信件。尽管该事实应当引起日本地球物理学家的警觉并证实该预测的可信度，但是，即便在2010年7月4日，在图拉大学专家与俄罗斯宇航局地球运行监测科学中心专家所预估的地区确实发生了M6.4地震事件后，日本方面也未做出回应。此外，俄罗斯宇航局地球运行监测科学中心网站上还展示了一些有关日本地震的成功预测。在2003年9月，根据日本地球物理学家的请求，俄罗斯宇航局地球运行监测科学中心的专家对日本高危地震区域进行了检测，获得了“Метеор-3M”卫星的地震云指示卫星照片，在2003年9月25日北海道岛大地震(M8.3)爆发的前夜，俄罗斯专家向日本方面转达了预测报告。很遗憾，本次仍未能取得紧密而有效的合作。

图6.4　彼尔戈斯站(希腊)测得的大地电流。图上方曲线是“南北向”测定线。下方是“东西向”测定线，x轴表示2月13日至3月6日的日期；y轴单位为mV/km的电位；粗体数字表示数值异常日期

也许会出现这样的疑问：为什么要进行逾期预测？答案很简单：这些预测整体上较准确地评估了日本地震的潜在高危地区及震级。在对时间间隔14～21个昼夜的长期及中期预测间隔作数字化后，我们的方法能将数字化后的结果转化在有效的预测平面上。换句话说，在每半年期或者其他任意时间段数字化的每个例行步骤中，对于地震预警评估可以确定：在未来的2～3周内日本发生高强度地震的概率有多大。基于“地震构造成因”概念、ZMT征兆分析算法以及著述[2]基本原理，本方法的运用如下所述。

4.2大地震征兆

根据地震征兆分析算法对日本两起相互关联的地震进行分析：

2011年3月9日-2∶45-(38.5；142.8)-7.3-32-本州(S1)

2011年3月11日-5∶46-(38.3；142.4)-9.0-24-本州

2011年2月18日至3月3日，在用5级征兆的地空检测系统的协助下，记录到全球地球物理异常的反应，尤其是大地震事件到来之前的征兆。最为显著的异常出现在重力征兆异常类中(图6.1)，特别是在3月2～3日，还有与此征兆相关的磁极钱德勒震荡的地球转动异常、地球自转加快(图6.2)、大地电流与质子扩散异常(图6.3，图6.4)。3月7日监测到钱德勒晃动及质子扩散的剧烈异常。这一类异常通常警示在远离未来震源地方，实际上所有地球物理场均处于激荡状况。因此，在加利福尼亚地区发生大规模沙丁鱼死亡现象便不足为奇，原因可能是声学异常、电磁异常、氡气异常等。

根据上述标出的时段计算，必须弄清地震构造云指示的情况。首先是从全球，随后是在它们数值表现最高的具体区域。具体这样的特定区域被锁定在日本。2011年2月18～22日，在本州岛上空发现了地震云指示。从中之一的云结构计算出地震的可能强度为M=ln1500≈7.3，这实际符合第一次地震的震级(s1)。为了更细致地研究该云结构，运用了“Meтeop-M”，“Terra”，“Aqua”等卫星拍摄的照片。信息量最丰富及最有研究意义的照片是“Meтeop-M”卫星于2011年2月19日00∶36拍摄的，对其主要分析见图7。

该卫星照片中表现出若干特性。首先是A与B构造相对于所划出的地质构造块体区段有明显位移。巨大的位移量可能揭示潜在地震的巨大强度(M8.5+)和巨大的应力积累。A与B两个云指示还确定了块体的“逆时针”旋转分量，以及东南区段上的应力值。我们注意到本州岛北部上空地震云指示的“波峰状”区域。震后表明，根据全球定位系统数据以及环境卫星(Envisat)和大地号卫星(Alos)的雷达干涉仪数据，得出正是在这一区域发现了最大程度的位移。美国国家航空航天局(NASA)喷气动力实验室

图7　在2011年3月9日和11日本州岛发生1号、2号地震之前于2011年2月19日由“Meтeop-M”卫星拍摄的地震云指示照片

(JPL)的专家们，在对比了卫星数据之后，确定位移向本州岛东部沿海地区的东方位移了2.5m并下沉。位于本州东北的牡鹿半岛在地震后向东南方向位移了5.3m，沉降了1.2m。同时发现，A与B角的形状结构也呈现了相似的位移方向。要知道这是在2月19日，即大地震前3周的情况。征兆预测的准确性可见一斑。

4.3关于时间的预测

根据“地震构造成因”概念第7项规律，太阳的地球效应现象能导致一定等级的地磁扰动，会在2～3周后触发地震，由此可以计算出地震发生的可能时间。2月18日监测到强烈的磁爆现象，它引发了按21昼夜计算的(s1)地震：2月18日(14或21昼夜)=3月4日或11日±2昼夜。3月7日的强烈地磁爆发印证了两个地震。这两个地震发生于3月9日和11日，与所使用计算公式得出的时间误差为±2天。从2011年3月7日地磁爆发后的时间里，我们发现，最为强烈的余震发生在第3月21日～28日±2昼夜，并按经线分布。此外还应补充，第一次M7.3地震，伴随着3月7日和10日的强烈地磁扰动，令很多地球物理学家感到十分意外的还是第二次大地震起到了关键触发因素。类似情况的衍生以及M8.5以上地震发生的可能性都将在地震云指示中“暗示”到。

5结论

实现了中美洲强烈地震的预测，即2010年1月12日海地灾难性大地震的预测，证明了地震构造成因概念处理分析方法的正确性。基于本概念为监测地震孕育的全球地球物理征兆而建立的地空监测系统，即在阿拉斯加和特罗姆瑟配置的高频主动极光研究计划加热装置，在它对电离层作出了人为影响时，可发现该影响存在。它可能导致海地地震的触发。类似的实验被一系列国际条约所禁止。因此，在对监测系统进一步完善时，它可用在对这些条约的监管中。

对2011年3月11日日本大地震的地球物理征兆及地震构造云指示分析得出：使用“地震构造成因”概念可预测类似地震。这方面的成功很大程度上取决于地空监测领域的国际合作效率，以及地震征兆地球物理数据的交换效率。

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黄赛(1978年7月—)，男，北京外国语大学俄语学院学士，乌兹别克斯坦科学院东方学研究所访问学者(2006年10月～2007年10月)，中国科学院国际合作局业务主管。E-mail：huangsai@cashq.ac.cn。

译 者 简 介

Л.Н.Дода，О.В.Мармынов，Л.А.Пахомов，В.Л.Намяганов，И.В.Смепанов.2011.Наземно-космический мониторинг и прогноз землетрясений.http∶//nadisa.org/sotrudnichestvo/nazemno-kosmicheskij-monitoring-i-prognoz-zemletryasenij/

黄赛，高楠 译.2016.地震的地空监测与预报.世界地震译丛.47(2)∶91-103.doi∶10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201602001

中国科学院国际合作局黄赛，中国地震台网中心高楠译；中国地震台网中心王超校

中国地震局地球物理研究所胡鸿翔复校