日月引力对地震的触发作用与激光监测探讨

张峰

摘   要：地震是累积应力快速释放的过程;本文通过对地球自转、公转、太阳、月球等星体对地位置周期变动，引起的对地万有引力、惯性力的周期变化分析，指出日地、月地引力，地球自转速度变化、大西洋中脊扩张是造成地球板块边沿或内部产生错动、破裂的直接因素;可以通过激光、光电、地电等技术手段对地震前发生的预滑、震颤等信息进行监测，获得地震前兆弹性应力波的产生方位﹑距离、强度、周期等信息，从而确定地震可能发生的地理区域，实现地震震前预测以减少地震引发的各种灾害。

关键词：地震前兆  激光测距  板块运动  弹性应力波  引力异常

中图分类号：P315                                   文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（a）-0038-05

Abstract： Earthquake is a process of rapid release of cumulative stress; The Mid-Atlantic ridge continues to expand， squeezeing the other plates of the crust on both sides to smoothly into the Pacific plate， while the Earth's rotation， revolution， and the position of the sun， the moon change to the ground， causing the gravitational force changes to the ground， directly cause the deformation between the crust rock layers， and the displacement and rupture occur at the edge or inside of the crustal plate， and the release of huge energy in a short time causes earthquakes;Snail-shift， tremor and other phenomena exist before the earthquake，bringing the elastic deformation pressure wave release process of the crustal plate fault transitions from steady state to unstable state. The elastic stress wave propagates around the crustal lithosphere medium . Localized rock crustal deformation caused by the elastic stress wave， in a certain intensity can be monitored by real-time monitoring of laser， photoelectric， geoelectric and other technical monitoring methods setting up in the deformation region of the crust bedrock ; Through monitoring data of different region， Networking analysis can calculate the azimuth， distance， intensity and other information of the elastic stress wave， so help us to determine the geographical area where the earthquake will occur， and carry out special monitoring of other earthquake precursor anomaly information in the area to determine whether to issue earthquake early warning information to reduce the earthquake-induced disasters in all aspects.

Key Words： Causes of the earthquake; Earthquake precursor; Laser Ranging; Tectonic plate motion; Elastic stress wave; Gravitation anomaly

地震是一種严重自然灾害，全世界每年要发生12000次2级以上的地震，绝大多数太小或太远，以至于人们感觉不到，其中6.5级以上的大地震100次左右。地震预报目前仍然是世界难题，1976年7月28日的唐山地震及2008年5月12日的汶川地震都未能获得提前预测。

现有的旱震﹑磁暴﹑可公度法等理论都很难在临震前期做出地震三要素短期准确预报，地震的成因到现在还不是很明朗。本文从太阳﹑月球对地球地壳板块运动的万有引力作用方面作了部分分析，认为太阳﹑月球在地球自转下对地球地壳板块的周期引力作用是加速各板块岩石圈相互挤压、岩石断裂发生地震的最直接触发来源，大西洋中脊扩张是板块挤压运动引起地壳弹性形变的长期动力，结合部分已发生的地震实例与已有报道的引力异常数据等得出地卫激光测距、地壳基岩实时激光光电数据监测等可获得地壳形变、地震前兆等有效信息，从而实现对地震的预测预报。

汶川地震有关周边地区地壳隆起抬高的材料，报道一：恩施市白果乡观音塘约8万m3蓄水突然消失。2008年4月26号早上7点多钟，塘里突然传来轰鸣声，不到5h，一池碧水全部不见了[1]。直径近百米，深数十米的池塘现了底，水全部消失。村民表示，1959年出现大干旱时，许多树木都干枯死亡，池塘里的水都没干，没折。”据《白果乡志》记载，这种现象自解放以来出现过3次，时间分别是在1949年、1976年和1989年。这个池塘的四次干涸，分别发生了1950年雅鲁藏布江大地震，8.5级;1976年松潘（离汶川很近），两次7.2级大地震;1989年小金（也紧挨着汶川）6.3级强地震;本次8.0级大地震。报道二，恩施白果乡村观音塘又开始涨水，5月14日，记者接到恩施市白果乡村民报料，称前段时间因不明原因消水的观音塘（本报曾报道），现在又开始涨水了。记者现场看到，原来已干涸的观音塘，现在的确蓄了不少水，水面距地面仅相差2m左右。附近村民向兴红介绍，观音塘是从5月12日下午开始蓄水的[2]。恩施市白果乡处于汶川正东偏南，距离汶川直线距离560km，观音塘大旱不干，说明塘底连有地下河，汶川地震前水漏走，地震后连通的地下河水又开始回流，说明5.12汶川地震前该区域地壳岩石层已经变形上拱数10m，对汶川断层带形成强挤压后应力一直未得到有效释放，在5月12日初八日，太阳﹑月球引力引起的地壳形变累积达到岩层断裂临界点以至处于汶川断层沿线的岩石板块断裂，从而亚洲板块、太平洋板块与欧亚板块、印度洋板块获得的进动空间得到释放，恩施市所属的这部分地壳岩石层又回落至原高度附近，观音塘池塘才又获得连通的地下河水回流。

日本311地震的发生过程与汶川地震近似，发生时间2011年3月11日下午2时46分（日本时间），农历二月初七，9.0级。311地震发生时太阳运行至东亚板块正上方，对地震断层带西部的欧亚板块﹑印度洋板块形成方向向东的牵引力，对断层带东部的太平洋板块形成方向向西的牵引，中午时分后月球对太平洋板块的牵引作用力由向东转为向西，月球对太平洋板块的垂直引力升力作用引起地壳上升形变增大了另一侧太阳引力力矩，在太阳引力牵引作用下断层带两侧太平洋板块﹑欧亚板块俯冲挤压，板块局部强受力引起的形变强度超过板块承受力，发生板块断裂，从而引发地震海啸。

2.2 浅源地震中张力拉伸型地震分析

张力拉伸型地震板块4﹑板块5﹑板块6如图3示，板块6一边支撑在板块5边沿上，另一边抵在板块4断层带上，板块6为以往地壳断裂引起单端上升的断层地块，下部为空层区，无有效支撑。板块6受地心引力变形逐渐弯曲下沉，同时板块4﹑板块5在太阳﹑月球周期引力作用下的板块垂直方向的运动隆起降落﹑水平方向运动张张合合，板块6受力较大位置受微动疲劳影响岩石刚度缓慢下降，下垂破裂。板块6受板块5支撑的一端在长期微动或受其他地震岩层移位影响的情况下逐渐滑入板块5断层内板块6下面的空区，这个阶段如果遇板块4﹑板块5受比较大的分离张力，支撑板块6的板块5边沿上的支点破碎快速下滑，则板块6将直接掉入下部的空区，从而引发塌陷型地震。

以唐山地震为例，发生时间1976年7月28日3时42分53.8秒，农历七月初二，属于典型的张力塌陷型地震，唐山地震前的河北邢台地震与渤海灣地震、辽宁海城地震形成了板块进动空间，给唐山塌陷型地震的触发提供了必要的地壳断层空隙空间条件。唐山地震为塌陷型地震的证据：邱泽华等曾经注意到唐山地震造成了大规模的地面塌陷，最新的研究揭示了这种塌陷与一条近百公里长的断层活动有直接联系，需要说明的是， 这些大规模的塌陷区不是煤矿采空区塌陷的结果，唐山地区的煤矿都分布在震区的北部一带， 而这些大规模的塌陷区位于远离煤矿的南部地区[3]。

2004印尼苏门答腊9级地震，地震发生时间农历十五，2004年南亚地震（一般简称印度洋海啸或南亚海啸）发生于2004年12月26日星期二时间0时58分55秒（雅加达，曼谷当地时间为星期日），泰国《民族报》2005年1月1日报道说，海啸26日席卷泰国南部之时，南素林岛上一个渔村的181名村民早已逃到了高山上的一座庙中，从而躲过了一场劫难。“长辈们告诉我们，如果（海）水退去的速度很快，那么它再次出现时的数量会和消失时一样多。”65岁的村长萨尔贸·卡萨雷说，他们知道许多世代流传下来的传说。从以上报道海水先消退后出现海啸，也可以初步判断印尼苏门答腊9级地震很大程度上可能为张力拉伸断裂塌陷型地震。

3  地壳形变可监测的地质基础

3.1 地壳岩石圈的物质分层

按现在的地质学划分，地壳被分成六大板块，地壳岩石圈以下是软流层，各板块可以看作是“漂浮”在软流圈上的，在地心引力与地球自转惯性作用下随地球运动。地壳分为上下两层，上层化学成分以氧、硅、铝为主，平均化学组成与花岗岩相似，称为花岗岩层，亦有人称之为“硅铝层”，下层富含硅和镁，平均化学组成与玄武岩相似，称为玄武岩层，有人称之为“硅镁层”，软流层以上的地幔是岩石圈的组成部分，地幔上部的岩石部分镁含量极高，所以称为硅镁层;莫霍面存在于地壳与上地幔之间。

地动信号及微断裂信号以弹性应力波形式在地壳岩石层中向四周扩散传播，因地壳岩石圈上下层及地幔上部﹑莫霍面等所含物质成分不同，这就使得弹性应力波在不同地层物质中传播速度发生了变化，有快有慢，通过现有科技手段对这种微断裂信号的弹性应力波进行监测分析计算也就可以得出弹性应力波的发生方位﹑距离信息，从而确定可能发生地震的具体区域，对该区域进行震前重点监测与预报。

3.2 地震发生力学过程的可观测性

21世纪初观测到地震前存在预滑﹑震颤﹑以及前驱波等现象，地震前地壳岩石圈变形应力过程存在稳态﹑亚稳态﹑亚失稳态﹑失稳态4种状态[4];在稳态阶段，断层处于弹性变形阶段，只要外力撤除，变形立即恢复;在亚稳态阶段，断层处于偏离线性阶段，外力撤除，一部分应变立即恢复，另一部分以缓慢方式逐步恢复，而局部损伤区无法恢复;进入亚失稳阶段，断层已经处于以释放为主的变形阶段，外载的变量已不足以弥补断层的应力释放水平，断层由准静态释放转变为不可逆转的准动态释放，最终失稳，地震不可避免的发生。经过多年努力，马瑾团队在实验室岩石压裂实验中，根据传感器接收到的信号终于能够“提前一秒钟实现岩样破裂失稳的预报”。地壳的变动比实验室岩石受力变化较为缓慢，稳态范围内的地壳形变变动不会发生地震，进入亚失稳阶段后地震发生已不可避免。地壳岩石断裂由亚稳态转为亚失稳态再转为失稳态需要经历一个时间间隔，这个时间间隔与地壳板块形变的受力状况直接相关，而地壳板块受到的作用力周期又与太阳﹑月球周期运动给予的引力作用力强相关。这也就意味着我们可以通过现有科技手段对地壳岩石断裂由亚稳态转为失稳态这一过程发出的地层信号进行监测，从而提前几天或几个小时对即将发生的地震进行预警预报。

4  用于地壳形变变动的激光光电监测方法

4.1 地卫激光测距

光束发散角0.5mrad，脉宽百皮秒量级，输出能量数十毫焦的重频脉冲激光器已可批量生产，通过激光扩束压缩技术激光束的发散角可以控制在0.1mrad以内，通过同轴大孔径观瞄接收系统现在已经可以方便的实现对数千公里高度的卫星进行激光精确测距，配合高精度的数字计时电路可实现的测距精度在厘米量级，这对于地壳形变的测量精度要求已经足够。美国在1976年5月与1992年10月发射了两颗Lageos地球动力学卫星，轨道高度5960km，每颗卫星装载426个角锥反射器，利用角锥棱镜对光束的同向全反特性用以反射由地球上不同站台发射的激光束。

地卫激光测距中，激光需往返经过大气层后才能返回接收器，激光路经的大气受气候﹑重力等影响其折射率大于1，从而使测距精度受到大气引起的光路弯曲﹑时间延迟等影响，数值通常在米级以上，通过双波长激光或多波长激光测距回波时差的数据处理可以对大气色散引起的测距数值误差进行校正。

因卫星运行轨道会受到地球地壳形变及地球内部运动引起的微重力变化的影响，单个地面激光站点对卫星测距获得地面形变的测算数据并不准确，卫星轨道会随所受地表重力的变化而微变动。为精确测量地壳的运行与变化需要同时进行地面上多个不同板块上不同激光站点对卫星的测距数据，因卫星相对地面的绝对位置在快速变化，这时就得根据卫星相对地面的运行速度来计算多个激光站点对卫测距的光束同步到达卫星的时间精度，假如卫星对地绕行速度为10km/s，那么对于厘米量级的测距精度要求则激光光束同时到达卫星需达到us的时间同步精度，这就对地面激光发射点的同步工作提出了严格要求。要解决这个难点，就得把负责测距反射的卫星发射到约3.6万km高度的地球同步轨道，或者通过地壳断层区域高空悬停反射装置进行断裂带两侧的多点地形测距，这又给激光测距的激光光电设备设计精度及高空反射工作装置提出了更高的要求。

4.2 地壳弹性应力波的激光干涉测量

利用激光干涉仪可以较容易的实现λ/100波长精度的纵向尺寸变化测量，东京理工学院通过对一台50m改进型迈克耳逊干涉仪干涉条纹的涨落分析发现存在以一天为周期的振动，峰—峰振幅为几个μm[5]，数据表明以24h为周期的日月运动对地球地壳岩石圈形变的影响可以通过改进的激光干涉仪测定出来，而作为地震前兆的岩石层微断裂引起的地壳形变信号的测量可能更为明显。因弹性应力波在地层不同介质中传播速度的差异，监测站点距离震中距离L可由下面的公式计算

L=V1×t1;L=V2×t2;

V1﹑V2为弹性应力波在不同地层介质中的传播速度， t1﹑t2为弹性应力波到达监测站点的时间，我们在同一站点可以监测到的只有t1﹑t2两者之间的时差，

通过测量（t2-t1）的时间间隔值加上对已有的发生地震震中L的测算，便可得出各个不同震点相对监测站点的数值，从而为以后地震的监测作出计算。震中位置的测量也可由位于两个不同区域的激光干涉仪监测布点测到的应力波传播方向交点得出，每个干涉仪监测点可通过两垂直方向的应力波测量，得出弹性应力波的来源方向，按理论两个监测点探测到的弹性应力波方位交点应该就是岩石层亚稳态到失稳态预断裂应力波生成点，即可能发生地震的震中位置。

通过对监测到的弹性应力波强度﹑持续时间的数据积分，同时计入发震距离等参数的综合分析，可以得出地震震级强度信息，由探测到的弹性应力波发生时间加上日月对地引力变动周期等确定可能的地震发生时间，从而得出地震发生的时间﹑地点﹑震级三要素。

4.3 地壳弹性应力波的地电测量

因地电测量受埋线位置﹑降水﹑季节﹑其他电磁信号干扰等的影响，所测前兆数据具有不稳定性﹑规律不明显等特点。多地地震前的基岩地电监测数据表明不论是挤压型地震还是张力拉伸型地震，在地震前的数小时地电监测地电阻率数据大都是急剧下降的，这表明在实验室模拟下的岩石的拉伸或挤压对岩石形变本身的电阻率数据影响在实际监测中起到的作用不大。而激光监测手段受外界影响小，尤其在地壳突变的反馈方面更为准确，因此地电监测方法对地震的预测研究需结合激光监测的各项数据做比对分析，以获取更准确的预测数据。

5  引力异常现象对日月引力引起地壳非线性形变的支持

1954年，法国经济学家和物理学家莫里斯·阿莱发现，当巴黎出现日食时，正在摆动的钟摆出现无规律的晃动。由于地心引力以及地球自转，锤摆会来回摆动。在开始发生日食时，锤摆的摆动方向发生剧烈变化。1995年10月印度科学家米什拉和拉奥利用重力仪在多拉吉对日全食进行了观测，发现在食甚前后约一个小时内重力加速度有12微伽的变化，发现重力谷现象。1997年3月中科院地质与地球物理研究所的汤克云、武传真等科学家，利用重力仪对发生在漠河的日全食进行了观测，发现了“双重力谷”现象。科学家共在大约20次全日食过程中对引力起伏波动进行了测量。

这些日全食时测得的重力变化都未考虑因地面高度的形变引起的变化，有些观点认为地面几十厘米或米量级的升降变化会立即引发地震，但参考恩施市白果乡观音塘汶川地震前地面高度数十米的变化并未超出当地地壳岩石断裂承受范围，因此日全食时地面高度局部形变不足以引发地震。当然上述测量到的引力异常是否确因地面高度变化引起还需通过日全食时多点地卫激光同步测距数据分析结果确认。

6  结语

地震预报研究是一个大系统工程，需要多学科、多部门集思广益，多路探索，本文从太阳﹑月球对地引力的变化﹑大西洋中脊扩张等方面分析了对地壳板块运动的影响，指出通过激光测距﹑激光干涉测量等手段可以实现对地壳的大范围形变﹑预滑微断裂等多参数进行监测，通过单监测点可以获得基岩形变方位﹑强度与弹性应力波在不同地层介质中的传播延时信息，通过两个以上监测点的数据分析可以明确地壳岩石微断裂区域的地理位置，从而为地震预报做充足准备。

参考文献

[1] 周胜，蒲元慶.池塘内万吨碧水无故自消[N].恩施晚报，2008-05-02.

[2] 陈千恩，杨邦文.恩施白果乡村观音塘又开始涨水[N].恩施新闻网，2008-05-15.

[3] 邱泽华，马瑾，刘国玺.新发现的唐山地震大断层[J].地震地质，2005，27（4）：669-677.

[4] 马瑾.从“是否存在有助于预报的地震先兆”说起[J].科学通报，2016（61）：409-414.

[5] ToshikaruTako， Kenic hiAsakawa， Chen Weishing等.用激光干涉仪测量地球的振动和应变[J].中国激光，1983（Z1）：234.