地震短临预测

地震短临预测（精选5篇）

地震短临预测 篇1

摘要：发展地震卫星, 构建天地一体化地震监测网络是我国防震减灾事业发展的重大创新, 有利于提高我国防震减灾能力。如果我们有自己的地震卫星体系, 我们可以更快地为防震工作提供有力的数据支持, 也可以更及时地挽救更多的生命, 从而最大程度地减少损失。

关键词：地震短临预测,近地空间电磁探测,电离层探测,卫星系统

1 国外临震卫星系统发展概述

为了减少地震给人们带来的心理伤害和财产损失, 法国正在尝试使用卫星来监测地磁变化, 其研制的小卫星DEMETER只有130公斤左右重。在轨飞行期间, 监测地球电磁信号的变化, 以便提高未来地震预报的准确性。

俄罗斯正在制定“建立预报地震卫星系统”计划, 目的是对特定地区上空的电磁波、电离层等离子体特征、带电离子流长期监测, 在震前2~48小时做出预报。

全球地震卫星观测系统 (GESS) 是由美国NASA提出的一项科学研究长期计划, 用于研究地震与地球势场、形变场、热场变化之间的观测关系, 将完整了解地震孕育物理过程。

2 建立我国短临预测卫星探测体系的建议

发展地震卫星, 构建天地一体化地震监测网络是我国防震减灾事业发展的重大创新, 有利于提高我国防震减灾能力。

2.1 地震短临预测的理论依据

全球许多国家数十年来的大量监测研究表明, 地震之前地球空间电磁场和电离层、电磁辐射、高能粒子等短临前兆异常现象是确实存在的, 电磁观测为突破地震短临预报这一人类难题提供了可能。从固体地球岩石圈向上观测到大气层、磁层和电离层, 对地球空间的电磁环境要素进行全面监测, 构成整个地球空间的立体观测体系, 才能够真正有助于人类认识整个地球系统。

地震电磁短临前兆指地震前一、二个月特别是震前几小时至几天出现的与地震孕育发生相关联的异常现象, 主要包括:电磁场、电磁辐射、电离层、高能粒子等震前异常变化。

2.2 地震前电磁异常特征

电磁场是宇宙中最重要、最普遍的一种场, 是联系高空与地下信息的天然媒介。近空间的电磁环境复杂, 受到地球磁场、电离层、太阳电磁辐射、空间带电粒子等多种环境要素的影响。

地震孕育过程中, 产生的电磁效应向空中传播途径有:化学途径、声学途径、电磁途径。

1) 化学途径。化学参数的改变 (气体或氡的发散, 水位变化等) 引起大气成分的变化或大气导电率的改变, 导致大气电场的扰动, 影响到电离层的等离子体密度变化。

2) 声波途径。地震前地面细微变化会引起大气低频震动, 大气震荡向上传播进入电离层并改变电离层等离子体的密度。震时断层错动所产生的大气脉冲直接向震中上方大气层传播, 产生高空放大作用, 引起电离层扰动。

3) 电磁途径。地震前构造应力变化、微破裂和微小震动都会引起地电和地磁场的变化, 震源断裂缝面上电荷的产生和释放是电磁噪音产生的可能原因, 电磁场的变化由进一步感应大气及电离层中带电粒子引起电离层等离子体密度变化与扰动。

地下电磁辐射源发射的VLF/ULF波至低轨卫星的两种可能的传播路径:其一是电波由地下渗透入地层———电离层波导后, 沿波导传播, 至接近卫星位置后, 向上渗透到达卫星位置。二是电波渗透入地层———电离层波导后, 沿波导传播至接收点的“磁共轭点”, 然后沿地磁场磁力线方向传播, 经过电离层和磁层到达卫星位置。

2.3 地震前电离层异常特征

电离层是地球空间中由于太阳电磁辐射和粒子辐射使大气中性分子电离成自由电子和正离子而形成的低能等离子体区, 高度从60km到几千km, 是地球空间的重要组成部分, 也是大气层中电动力学性质比较显著的一个特定区域。

地震前电离层扰动的研究表明, 5级以上特别是7级以上大震前在高度1000km以下的电离层参数出现扰动, 电离层异常主要有以下几方面:

a.主要的物理、化学参数异常变化:电磁场和电磁波辐射异常;电离层总电子的震前异常扰动;电离层等离子体参数的震前变化;电离层的高度降低、高能粒子 (质子、电子) 通量异常等。

b.异常的时间特征:大震前几小时至几天, 异常持续时间每天一般不超过4~6小时。

c.异常的空间特征:地震前电离层扰动最大区域并不是总是在未来震中上空, 而是略微偏离;随着地震发生时刻的临近, 扰动覆盖的区域越来越大, 并且幅值也在增加;越靠近震中, 变化强度越大。

d.异常的形态:变化形态可能为正相, 也可能为负相变化。

e.异常的强度:地震电离层相对变化幅度一般为15~30%, 但一些大震前可能超过100%。

2.4 高能粒子异常特征

从机理上讲, 高能粒子通量的变化一般被理解为地震ULF波辐射向上传播的结果。高能粒子扰动与地震的关系初步做如下概括:

a.沉降带高能粒子爆发与5级以上地震的活动关系十分密切。

b.高能粒子爆发一般出现在主震发生前2~5h。

c.高能粒子爆发时粒子通量可以成倍增加。

d.与地震相关的粒子爆发的能谱范围主要包括:10~100Ke V的电子、10~100Me V的电子和质子。

e.沉降粒子沿地球分布, 与地震震中位置相关。

f.辐射带中子浓度增加现象也可能与地震相关。

2.5 关于建立我国短临预测卫星系统的建议

根据观测数据的需要, 建议卫星系统设计如下:

a.极区探测:地球极光加速区粒子分布、三维电场、磁场的测量。包括太阳同步极轨轨道、倾角为79°与地磁线平行但轨道高度不同的近地轨道, 对近地空间磁场分量进行立体探测。

b.电离层原位探测卫星:从上部对电离层进行紫外或远紫外线遥感探测, 并对300~400km高度区域的等离子体, 辐射粒子, 以及中性成分进行实地探测。

c.电离层异常探测卫星:轨道高度450~700km, 载荷多种电磁场分量探测仪器、高能粒子探测仪 (含中子探测器) 和等离子体探测器。

d.电离层顶部探测卫星:轨道高度900~1000km, 主要载荷为顶部探测仪, 同时配置信标发射机。

e.中性大气和电离层全球导航卫星系统 (GNSS) 掩星探测即低轨卫星与GNSS卫星在视线上被地球遮掩时, 仍能够接收GNSS信号的现象。通过测量的载波相位值, 能够反演出电离层参数。接收GNSS系统中 (包括GPS和“北斗”导航星座) 卫星发送的信号, 当信号路径与地球相切时, 信号的传输时延和相位都会因中高层大气和电离层的影响而变化。

地震短临预测 篇2

黑龙江省延寿地震台竖直摆倾斜仪潮汐短临变化特征

选择黑龙江省延寿地震台CZB-1型竖直摆倾斜仪的固体潮观测资料,提取了207月25日黑龙江省林甸M5.1和9月19日内蒙古牙克石M4.7地震前,倾斜固体潮半日波(M2)的潮汐因子γ及相位滞后因子△ψ等参量,综合分析了中强地震前区域倾斜形变潮汐的短临变化特征.认为:1)对潮汐频段参数潮汐因子、相位滞后因子异常信息进行提取,有利于捕捉地震前兆异常.2)潮汐因子的`变化特征从时间上给出了震源的短临前兆信息.从图形变化看,这种变化过程可归纳为趋势性背景变化→增大(或减小)→极值→恢复→等待→发震.3)固体潮调和分析方法具有较强的抗干扰能力,图形变化稳定、异常突出明显.

作 者：李继业 胡滨生 曲永斌 石伟 李国庆 LI Ji-ye HU Bin-sheng QU Yong-bin SHI Wei LI Guo-qing  作者单位：李继业,胡滨生,曲永斌,李国庆,LI Ji-ye,HU Bin-sheng,QU Yong-bin,LI Guo-qing(哈尔滨市地震局,哈尔滨,150021)

石伟,SHI Wei(黑龙江省地震局,哈尔滨,150090)

刊 名：地震地质  ISTIC PKU英文刊名：SEISMOLOGY AND GEOLOGY 年，卷(期)： 29(3) 分类号：P315.72+5 关键词：中强地震   倾斜形变潮汐   短临异常  

地震真的无法预测吗? 篇3

中国地震局预测咨询委员会副主任、中国地震局研究员汪成民,1935年出生于上海,1960年留苏归国,一生从事地震前兆与地震预报研究,先后在中国科学院、中央地震办、国家地震局工作。

汪成民是唐山大地震中“青龙奇迹”的重要贡献者,作为中国第一代地震预报工作者,退休后他坚持地震预报研究,他是国家“863地震预测智能决策”课题的牵头人。

汶川地震后,73岁的汪成民带领中国地震局退休老专家进行了较为成功的三次余震预测,并深入四川灾区调查震前预报预测信息,写下《对汶川大震的预测存在两种尖锐对立的意见》一文。

李四光独排众议

《瞭望》:如何理性看待中国地震预报的水平?

汪成民:这是一个重要的也是一个必须回答的问题。我认为中国地震学界应该首先客观、理性地看待中国现在的地震预报水平。

假如最乐观者给地震预报水平打一百分,最悲观者是零分,在他们之间画上一条直线,那么在这条直线上就涵盖了所有地震学者不同观点的立足点。

最乐观的人认为现在地震预报已经过关,不需要再进行多少研究,问题已经基本解决。只要有力地组织实施,地震预报就能实现。如果这一观点成立,预报失败就应该实施问责。

最悲观的人目前不会非常明确地坦露观点,实际上从内心深处他们非常想说的是:地震预报绝对不是我们当代能做的事,是把共产主义的事情拿到社会主义来做。

《瞭望》:以上两种极端的观点,即非常乐观的和非常悲观的观点,都是少数派吗?

汪成民:是的。虽然持以上两种极端的观点的人,都是极少数派。但是实际上几乎每个地震专家对地震预报的水平认识都不完全一致,因此历史上围绕地震是否可以预报,怎样预报一直有争论。

1969年向周总理汇报的会议,说法跟调子也都不一样;1970年宣布国家地震局成立的那次会议,也是有争论的。有时周总理直接问:地震预测这件事能不能做?

这一场争论里,李四光独排众议。他认为,地震预报是可行的,不能等到地震预报在科学上完全解决了以后,国家才能开展这项工作。

负罪感与失落感

《瞭望》:有些乐观的人认为地震预报确实是过关了,现在地震预报就是地震局的责任问题。

汪成民:依据这种观点,预报不出来就是失误。对地震预报的艰巨性,它的复杂性和目前处于什么样的阶段,我觉得认识得都不是很清楚。

也正是因为这种极端观点的存在,因此实际就导致这样一个结果。中国地震局系统,包括很多权威专家的思想,倾向于地震预报目前搞不出来。地震预报本身,这个题目有太大的压力,在压力的背后,又有很多利益驱动。

另外一些人,如果他说地震预报是完全可以的话,容易取得一些社会公众的赞誉。

假如你有一个失误,你就要承担非常大的压力,假如有一个成功,你就有非常大的荣誉。这是非常大的诱惑力,这种情况下有些人说话就有水分了。

我想说明的是什么意思呢?就是所谓的某种预报,谁预报了,或者谁漏报了,这些观点与判断要非常地慎重,唯一解决问题的办法,是走司法部门解决中国足球腐败的办法,由外界介入,采取调研查证的方式。由当事者自我评说,永远说不清楚。

《瞭望》:如果预报成功了,就是一个天大的荣誉。如果有一点失误,就是一个最大的罪恶,这么大的压力把所有人都卷进去了?

汪成民:都卷进去了,没有人逃得脱,包括我本人。

为什么很多年来,我一直不愿谈这事,因为它太沉重。唐山地震后,有人写文章认为震前我本人没有什么预报,贴大字报、发调查表都是编造的。也有人认为:谁都没有老汪有水平,他事先有预报,创造了“青龙奇迹”。

青龙事件,不是一个明确的预报,青龙事件就是打招呼,大家最近要注意一下。事前是有情况的,而且恰好就在唐山这个地区,我点到唐山地区了,王春青回到青龙县报信,又碰到冉广岐这么一个好领导。

“只能采取‘可操作的实效预报’”

《瞭望》:那么,在这个阶段地震预报应该如何进行呢?

汪成民:我认为不能把地震预报的两个概念混在一起。一个概念是,“科学上的精确预报”,另一个概念是“可操作的实效预报”。

“科学上的精确预报”,是科学家坐在计算机前。预测要求精度高,科学上说得很清楚。但地震没过关,要长期研究机理。所以专家提出,目前急于求成,拔苗助长,只会适得其反。我就问,什么时候能报地震呢?他们说把所有机理搞清楚了以后,才能报地震。

我说,感冒机理清楚不清楚?感冒本身,假如完全弄清机理,怎么会有非典、甲流?它是一个完全没有研究透的机理,这个机理是不断发展变化的。那么,是不是感冒就不治了?非典就不治了?甲流就不治了?

不可能,老百姓要治。就运用现有的经验与技术,你不能说我现在没研究透,暂时拒之门外,这跟地震预报的道理完全一样。

所以要提出第二种地震预报概念,不是科学的精确预报,我把它叫做“可操作的实效预报”。

周恩来:打个招呼不行吗?

《瞭望》:你认为要反对关于地震预报的两种极端观点?

汪成民:一个方面一定要大力反对地震不可预测的观点。宣传地震预测我们现在无能为力,这是不对的;另外一方面,不能过于乐观,看不到科学上的艰巨、复杂性,一两次成功就认为地震预报已经过关,地震预报的基本问题已经解决。

这两种极端观点,都不是实事求是。我认为既要认清地震预报没过关的现实,又要相信我们面临地震还能做一些力所能及的工作,假如工作做得好的话,也能使灾害避免,这个才是我的观点,也是我自己的亲身经历。

《瞭望》:周恩来总理讲过,让地震预报工作者力争在大震发生前打个招呼。

汪成民:我们向周总理当面请示过,目前很难达到准确预报三要素:地点、时间、震级,怎么办?总理说,精确的科学预报暂时做不到,你们力所能及地、实事求是地向政府打个招呼不行吗?

假如预测得比较确切,地点比较明确,政府部门当然比较容易应对。如果只有一个预测方向,一个大体的时段怎么办呢?我也请示过总理联络员刘西尧,他说:若情况严重,就需给中央报告,实事求是说你们对此有几分把握,让政府心中有数。

这种打招呼的方法与“科学的精确的预报”当然有区别,但仍然能取得防震减灾的良好效果。

《瞭望》:地震预报没有过关的情况下,又难以避免虚报。

汪成民:我个人认为,要有思想准备,就是有可能有预报失误。要是政府领导能理解,就是失误几次以后,能换来一次比较大的成功,这个就值。有这样的理念,地震预报完全可以搞得非常好。这就是一种地震社会学,因为预报必须要通过政府,必须要通过群众。

《瞭望》:解决地震预报问题具体有哪些办法?

电离层在地震短临预报中的应用 篇4

近年来大量灾难性的地震造成了重大的人员伤亡和财产损失, 例如, 世界时间2004年12月26日00时58分发生在印度洋海域里氏9.1级大地震引发的强烈海啸, 不仅使近30万人死亡, 还造成了重大的经济损失和生态环境破坏;北京时间2008年5月12日14时28分, 中国四川汶川县发生里氏8.0级大地震, 死亡近7万人, 造成直接经济损失达几千亿元人民币;当地时间2010年1月12日16时53分海地发生里氏7.0级地震, 造成人员伤亡达20万以上, 300万人无家可归, 估计重建时间需要数十年 (震例资料来源:http://www.USGS.gov/) 。为了减少地震造成的危害, 地震科学家们一直致力于地震预报的研究, 但是由于地震发生的机理没有完全被揭示, 地震物理预报理论还未建立起来, 因此研究人员开始尝试通过对地震前的一些异常现象即地震前兆的研究, 期待能够较为准确地预测和预报地震。

电离层是日地空间的重要组成部分, 其动态变化研究以及大地震前电离层异常现象已引起多方面关注。多地域、多参数、多手段的观测数据表明, 地震前一到数天内电离层会发生强烈扰动或出现异常 (即电离层前兆) 已是不争的事实[1,2,3,4,5,6]。1965年美国阿拉斯加 (Alaska) 大地震时, Leonard和Barnes[7]观测到电离层扰动现象, 此次观测似乎是第一次证实电离层的扰动与地震发生之间存在某种关联。此后, Weaver等[8]也发现1969年Kurile岛地震期间的电离层扰动现象。Parrot等[9,10,11,12]分别利用GEOS-2、Aureol-3、DEMETER卫星经过震区时的探测到的电磁信号等信息研究了地震电离层前兆现象。此外, 丁鉴海等[13,14,15,16,17,18,19]对地震电离层前兆进行了长期的研究工作。到目前为止, 已经有大量关于地震电离层前兆的研究成果[20,21,22,23,24,25,26,27], 由于篇幅原因不再列举。许多国家和地区组织也进行了较为深入的研究, 其中, 俄罗斯积极倡导利用电离层异常扰动进行地震短临预报探索, 中国大陆及台湾学者认为研究电离层异常扰动是进行短临预报的重要途径[3,15,18,23]。与此同时, 俄罗斯、美国、法国、乌克兰、意大利、中国等国家已经实施或计划实施以地震电磁观测为目的的电离层卫星项目, 以便了解伴随地震发生从地壳向电离层的能量传递及相互作用[28]。

研究地震电离层前兆的第1个优点在于可以把电离层活动区域作为一个整体, 而不只是地面上的一个点进行测量。第2个优点是与其它前兆比较电离层前兆的出现有稳定的时间尺度, 这一突出特点将使它在短临地震预报中更具实用价值[29]。本文较为全面地总结了能够引起电离层扰动的因素, 提出了地震电离层前兆研究的一般步骤流程, 介绍了目前关于地震影响电离层的可能途径, 总结了地震电离层前兆检测手段, 提出了地震电离层前兆研究的几个重点需要解决的问题。

1电离层及其扰动原因

电离层是指地面以上约60 km至1 000 km之间由太阳紫外辐射、X射线和高能粒子等诸多因素电离作用产生的自由电子、大量离子以及部分中性气体分子组成的地球大气层[30]。主要物理量包括电子密度和温度、离子密度和温度、离子成分和带电状态、电子和离子漂移、空间电场和磁场以及等离子体波等, 可概括为粒子和场[31]。能够改变电离层等离子体和电磁场状态的因素主要包括太阳活动、地磁活动、大气波动、剧烈天气以及其它方面。

1.1太阳活动

太阳活动强烈地控制着电离层的状态, 包括中长期和短期甚至短时间内的变化。剧烈的太阳爆发活动包括耀斑、日冕物质抛射 (CME) 、太阳质子事件以及宇宙线事件等。其中太阳耀斑爆发更容易引起电离层突然扰动 (SID) , 这是由于耀斑期间太阳整个辐射光谱都有不同程度的响应, 尤其是太阳紫外和X射线通量急剧增加, 在此期间电离层的变化形态主要由耀斑期间额外增加的太阳辐射对中性大气成分的电离程度决定[32,33]。此外, 冕洞、日珥等变化也能够引起电离层的扰动。

1.2地磁活动

除了太阳以外, 另一个控制电离层形态的主要因素便是地磁场, 这是由于电离层热力学过程、动力学过程以及电磁学/电动力学过程都与磁场密不可分, 因此地磁活动可以较为显著地影响到电离层[30]。地磁发生剧烈扰动时, 大量的能量和粒子通过磁层输入到电离层中, 引发电离层暴, 出现高纬地区极光和D区吸收增加等现象[34]。

1.3大气波动

大气中各种波动过程 (例如重力波、潮汐和行星波等) 将能量垂直输送至电离层高度, 由于中性大气与电离层的相互作用, 影响到电离层的状态, 控制电离层的物理、化学过程[34]。

1.4剧烈天气

大量观测和研究表明, 低层大气气象活动中的一些剧烈天气现象 (例如台风/飓风、寒潮、龙卷、雷暴等) 。20世纪50年代, Bauer等[35]对飓风过境时电离层的响应进行了研究, Huang[36]和沈长寿[37]等进一步从统计角度指出了电离层和台风、寒潮等剧烈的对流层天气现象的相关。目前关于剧烈天气影响电离层的机理假说主要有两种:第一种途径是剧烈天气造成大气波动向上传播到电离层高度并且对其形态产生影响[38];第二种途径是剧烈天气导致湍流层顶的抬升, 这种抬升对电离层特别是F2层产生了影响[39]。

1.5其它

包括地震、火山以及人类活动等对电离层产生影响。地震对电离层的影响在文中重点体现;火山[40]主要通过声波等方式对电离层产生影响;人类活动中包括核试验[32]、电离层人工变态[30,32]、航天器或运载火箭的发射和返回[41]都会对电离层造成不同程度的影响。

2一般研究步骤

目前地震电离层前兆工作主要集中在事后的震例研究上, 即在地震发生后, 寻找震前电离层异常扰动的观测证据, 论证其确实由地震引起, 建立各种理论假说, 为以后利用电离层对地震进行短临预报提供事实以及理论依据。震例研究的主要步骤可分为以下几个部分:地震事例筛选—电离层观测参量筛选—异常识别与提取—地震电离层前兆确认。

2.1地震事例筛选

全球每天发生多起地震, 但是有些地震在发生的时间和地点上缺少电离层观测资料, 而一些震级相对较小或者是震源较深的地震不足以造成电离层异常扰动, 所以需要对震例进行筛选。研究人员[42]曾对台湾地区地震与电离层异常扰动进行了统计, 结果发现对于Ms≥5.0的地震, 有大约73%在震前5 d发现电离层异常现象, 而当Ms≥6.0的地震发生时, 两者相关性可以达到100%。因此在研究地震电离层异常扰动时一般选取震级不小于5级的地震进行研究。

2.2电离层物理量观测结果筛选

电离层物理量较多, 其中由地震引起较为明显的异常扰动并且能够被探测到的参量主要为:电离层电子密度/温度、离子密度/温度、电磁辐射等相关信息。在研究地震电离层前兆时应选取距离地震发生时间和中心较近的时空位置的电离层探测数据进行分析研究。目前应用较为广泛的手段之一是通过地基GPS探测的电离层TEC异常扰动来研究地震电离层前兆现象, 这主要是因为GPS全天候、高覆盖、高采样率等优势, 以及由GPS载波信号解算的电离层TEC有较高的精度, 能够很好地监测电离层TEC的时空变化。刘正彦[43]等利用台湾地区的GPS台站探测的电离层TEC资料, 研究发现震前大约 (1～5) d内电离层TEC出现明显的异常, 大多表现为下降现象。另外, 由于电磁异常是对短临地震反映最为敏感的前兆现象, 能够探测电磁辐射、等离子体参数变化和高能粒子沉降等物理量的电磁卫星目前以及未来会得到更加广泛的应用。

2.3异常识别与提取

电离层各种物理量随时空变化并且存在一定的噪声, 如何识别电离层异常扰动现象和提取有用信息成为一个十分重要的环节, 不仅体现在事后的震例分析上, 在利用电离层异常扰动进行地震短临预报时更加重要。目前震前电离层TEC异常扰动探测方法主要包括平均数法、中位数法、四分位距法等, 选取的观测弧段, 背景值及检测异常的阈值不同, 得出的结果会有所不同[44]。另一个重要的电离层参量f0F2异常扰动定义为:如果一天中连续4 h以上向一个方向偏离中值, 并且其中至少连续2 h扰动程度不小于20%称为扰动, 连续3 d的扰动在电离层中较为少见, 称为异常扰动[16]。电磁卫星研究地震时一般选取地震前后经过距离震中2 000 km内轨道内的探测资料, 对相似轨道上的历史探测数据进行对比分析, 利用探测到的多种信息判定电离层异常扰动。通常将筛选过的电离层物理量绘制在相应的时空范围上, 方便直接查看物理量的时空变化形态特性。

2.4地震电离层前兆确认

电离层扰动因素很多, 在第二部分已作了较为全面的阐述, 在前三个步骤的基础上, 需要排除非地震因素。首先应该关注太阳活动, 判定是否发生了耀斑等剧烈太阳活动;其次确认地磁活动水平, 如果是在地磁扰动背景下的电离层扰动, 并不能够认定该扰动是由地震引起的, 地磁活动引起的电离层扰动一般是全球性的并且持续时间较长[45], 而地震引起的扰动区域特性较为明显, 持续时间一般不会超过 (4～6) h[2];如果在此期间地磁处于平静状态, 还需要查看附近是否存在剧烈天气或者是火山喷发等现象, 如果没有, 可以初步判定此次电离层异常扰动可能是由地震引发的, 因为目前还没有方法能够完全排除其它诸如电离层自身扰动、大气波动等原因造成的电离层异常效应。

3地震影响电离层的可能途径

研究表明[19], 地震的发生过程不完全是一个突变过程。在孕震期、临震前、主震和余震过程中, 应力形变和电磁等地球物理场都会发生不同程度的变化。这些变化将不同程度地影响震区周围的大气, 直至影响到电离层的异常扰动[27]。目前关于地震引起电离层异常扰动主要有三个途径:第一个是化学途径, 第二个是机械波途径, 第三个是电磁途径。图1是这三种地震-电离层扰动机理假说的示意图。

3.1化学途径

震前的地震活动区域, 有放射性地球化学现象发生, 包括氡气等惰性气体和温室气体的辐射[46]。由于地震造成的形变和裂缝引起地表氡气含量的变化, 从地下逸出的氡气在地壳表面的空气中电离, 水分子附加到它的上面, 形成离子团。由于正负离子之间的库伦力的相互作用, 在孕震区地表附近的大气层中富含已经形成的中性离子团包裹的气溶胶粒子。与此同时, 释放的温室气体 (主要是CH4和CO2) 的不稳定加上空气的运动足以引起AGW (Acoustic Gravity Wave, 声重波) 的产生。由于库伦作用力的微弱性, 强烈的气体运动将破坏中性离子团包裹的气溶胶粒子, 结果在地表附近的大气层中产生大量的带电粒子, 最终形成一个强度较强的垂直异常电场。这种局部异常垂直电场穿透电离层可以引起部分频段的电磁辐射以及导致电子密度/温度、离子密度/温度和离子成分等参量发生改变[47]。

3.2机械波途径

从声学角度解释机械波扰动电离层的假说[48]:在地震活动区, 声波受到重力震荡产生AGW扰动, 这种波继续向上传播, 导致重力波和行星波增强, 对电离层产生扰动, 改变了电离层等离子体的密度。用内重力波从力学角度进行解释[49]:在地震活动区由地震引起的重力振荡的幅值随着离开地面的高度增加而增大, 这些振荡在地震之前像“活塞”似的影响到大气层, 产生了IGW (Internal Gravity Wave, 内重力波) 。内重力波具有较大的垂向群速度分量, 到达电离层之后依然具有较高的能量, 使得电离层等离子体和中性成分发生变化, 造成了电离层扰动。

3.3电磁途径

地震前构造应力变化、微破裂和微小震动都会引起电磁场的变化, 震源裂缝面上电荷的产生和释放是电磁噪音产生的可能原因, 地面出现的异常电磁场在向上传播的过程中, 受到机械波的作用而被逐渐放大, 并且进一步感应大气及电离层中带电粒子引起电离层等离子体密度变化与扰动[50]。岩石圈中产生的ULF电磁辐射在地震前产生, 并传人内磁层, 与高能粒子相互作用后, 使得粒子沉降到电离层的底部, 引发电离层扰动[48]。在大气波动的影响下, 电离层等离子体的扰动产生了等离子体波, 因此在卫星高度上不仅可以观测到ULF, 还可以观测到VLF/ELF/LF等多频段的电磁波扰动[51]。

4电离层监测手段

目前对地震电离层异常扰动的观测从探测器位置上可以分为地基和天基监测两大类:

4.1地震电离层前兆的地基监测技术

主要为[52]:电离层垂直观测、地基电离层TEC和闪烁观测等监测手段。

4.1.1 电离层垂直观测

利用电离层垂直观测可获取观测站垂直上方电离层信息, 包括:电离层分层电子浓度分布、电离层等离子体临界频率、虚高等参数。电离层垂测技术的不足主要是仅能获取观测站上空部分电离层参量。Pulinets[53,54]利用电离层垂测仪的探测资料研究发现f0F2在地震前有明显的降低现象。卓裕荣[55,56]、刘正彦[57]等通过统计台湾地区地震期间电离层观测资料发现f0F2在地方时 (12～17) 点的时间段内会有显著的变化, 并且变化量随地震规模增大而增大的趋势不是很明显, 主要与震中距离有关。

4.1.2 地基电离层TEC和闪烁观测

电离层TEC和闪烁测量是利用卫星携带的信标信号观测星地链路上所经过区域的电离层积分总的电子含量和电离层不规则体对信号的幅度、相位和极化的影响, 由此观测电离层的实时变化。Calais等人[58] 最早采用GPS探测1994年Northridge地震期间电离层的TEC动情况。林玉翔[59]较为全面地研究了GPS在电离层地震前兆中的观测应用。吴云等[60,61,62]利用电离层TEC数据, 统计分析发现震前几天孕震区上空TEC存在负异常。Pulinets等[2,63]认为低纬地区特殊的地磁与电动力学环境, 使得地震电离层效应在一定的经度范围内整体改变赤道异常的分布状况, 即电离层异常双驼峰存在向磁赤道漂移的趋势, 这种观点被许多研究[23,64,65]所证实。

4.2地震电离层前兆的天基监测

途径主要为:地震电磁卫星、GNSS掩星以及其它能够获取电离层参量的卫星等。

4.2.1 地震电磁卫星

最近几十年, 研究人员对地震引起的电离层扰动现象特别是空间电磁场异常进行了大量研究。早在1970年3月, 前苏联OGO-06卫星在飞过震中附近上空时, 记录到磁场在100 Hz, 216 Hz和467 Hz等频段增大的脉冲异常[66]。Larkinal等[67]在1983年利用INTERKOSMO—19卫星经过地震附近区域的观测数据, 分析发现震前和震后几十分钟至数小时VLF电磁信号增强, 这一研究极大地推动了地震-电磁现象的研究。许多学者利用2004年法国发射的DEMETER卫星观测数据对地震电离层前兆进行了大量的研究[12,68,69,70,71,72,73,74,75,76,77]。近年来的地震电磁卫星观测项目或计划主要有:俄罗斯的Predvestnik—E (2001) 、COMPASS—1 (2001) /COMPASS—II (2006, 2007, 2009) 以及Vulcan Sic卫星计划、美国的QUAKESAT (2003, 2008) 及GESS计划 (2003) 、乌克兰的SICH—1M (2004) 以及IONOSATS星座计划 (2009) 、法国的DEMETER卫星 (2004) 、意大利的ESPERIA、日本的ELMOS以及我国的CSES地震电磁卫星计划项目等。地震电磁卫星观测到的电离层前兆现象主要有:电磁场和电磁波辐射、电离层等离子体参数、高能粒子通量等。与其它观测手段相比, 地震电磁卫星可以用较少的人力和物力, 在较短的时间内获取大范围的多种电离层物理量, 及时掌握整个地震区域的扰动情况, 为确定地震位置以及更好地了解地震电离层异常的产生机理等提供客观的物理条件[78]。

4.2.2 GNSS掩星

低轨卫星与GNSS卫星在视线上被地球遮掩时, 仍然能够接收到GNSS卫星发射的经过电离层折射和相位延迟的信号。1993年美国UCAR制订了GPS/MET研究计划, 于1995年4月3日发射了全球第一颗用于研究掩星技术的MicroLab—1低轨实验卫星。随后陆续发射的Orsted (Denmark, 1999) 、Sunsat (South Africa, 1999) 、CHAMP (Germany, 2000) 、SAC—C (Argentina, 2000) 、GRACE (USA, 2001) 、COSMIC (Taiwan, 2006) 等卫星或星座对无线电掩星技术进行了进一步的研究。杨剑等[79]利用COSMIC掩星观测的电离层电子密度分布, 分别研究了2006年千岛MS8.0地震和2007年青海MS5.3地震震前震区上空附近电子密度异常变化;张训械等[80]结合COSMIC和CHAMP掩星资料分析了汶川大地震引起的电离层异常现象。目前国际上已经开始关注GNSS掩星技术对地震电离层异常扰动研究。

4.2.3 其它能够获取电离层参量的卫星

包括能够直接测量电离层物理量或者包含电离层信息的卫星。Trigunait等[81]分析Topex/Poseidon、SPOT2等搭载高度计的卫星数据, 发现2001年1月26日Bhuj MS7.0地震前的电离层电子密度异常扰动, 认为这可能是此次地震的电离层前兆, 可以用孕震期间引起电场的变化来解释产生这些扰动的机理。Li Feng等[82]使用DORIS系统观测资料研究了2001年1月1日至2004年4月30日期间靠近DORIS观测站的震级大于5.0的地震前后电离层TEC变化情况。Giovanni等[83]通过分析Jason-1和Topex/Poseidon卫星高度计观测数据, 研究了2004年12月26日印度洋海啸期间电离层TEC异常扰动。Sharma等[84]利用SROSS—C2卫星数据来研究由于地震引起的F2层高度处电离层离子温度异常。这些卫星获取得到的物理量主要是电离层TEC、电子密度/温度等信息。

卫星等天基监测技术具有全天候、全球性、周期短、效率高、机动性强等特点, 大量研究成果表明, 利用天基观测特别是地震电磁卫星捕捉地震电离层前兆信息将是地震短临预报最为有效的手段之一, 建立由多颗卫星组成的卫星星座监测和预测地震是地震研究的一个发展趋势[85]。

5结束语

大量观测事实和研究成果表明, 能量足够大的地震的确能够对电离层产生影响, 使其发生异常扰动, 并且这些扰动现象往往在震前就可以被观测到。现有的研究成果使得电离层前兆成为地震短临预报可能手段之一[39]:震中的位置可以从电离层前兆沿磁力线到地面的投影估计出来;地震的震级可以由电离层中改变区域的大小估计出来;地震发生的时间可以从电离层前兆出现的时间大致估算出来。

目前地震电离层前兆研究的重点或难点问题主要集中在:

(1) 较为密集和全面的电离层监测网的建立, 主要对电离层进行实时的监测, 获取大量可以较为全面描述电离层形态的可以用于研究和应用的资料;

(2) 电离层异常扰动的判断。由于在电离层探测过程中, 探测数据本身存在不确定性和噪声, 如何较为准确地提取电离层异常信息是地震电离层前兆研究的重要内容之一;

(3) 地震电离层前兆确认。由于影响电离层的因素众多, 如何排除其它非地震因素对电离层的影响成为研究的难点之一;

(4) 地震影响电离层或者是两者相互作用的机理需要进行深入的研究, 目前的理论主要是建立在假说的基础上的, 需要进一步验证和完善;

(5) 大量的研究集中在震例分析上, 需要在此基础上适时开展利用电离层异常扰动对地震进行短临预报的实践工作。

由于地震引起的电离层异常扰动在时间、空间以及形态上都有较为复杂的表现, 单独的某种异常现象并不足以说明地震电离层异常, 需要通过多种手段和多种现象联合研究电离层对地震的响应。采用地面观测和空间观测相结合的方法, 建立“天地一体化”的立体观测网络, 是利用电离层对地震短临预报研究的必经之路。

地震到底能不能预测 篇5

近几年来，在世界范围内还发生数起大规模的地震：2004年12月印尼西侧印度洋发生8.9级强震并引发超大规模海啸，导致近30万人丧生；在2008年中国四川汶川大地震中，数万人罹难；2010年2月27日智利发生了8.8级的强震……

面对一次次突如其来的大地震，人类无法提供准确的预报，似乎只能听之任之。自20世纪伊始，人类就开始对地震进行系统研究，研究地震的成因以进行地震预测；随着板块构造理论的诞生与成熟，1968年，板块理论创立人之一奥立佛（Oliver）和学生斯克斯（Sykes）在《地球物理研究》（Journal of Geophysical Research）上发表了有史以来最被广泛阅读的地震学文章《地震学与新全球板块理论》（Seismology and the new global tectonics），人类对地震的认识进入了一个全新的时代。

地震，无时无刻不在

根据现代地震学理论，地震是地球内部运动引起的地表震动，是一种自然现象。地震通常可分为构造地震、火山地震、塌陷地震、诱发地震、人工地震等几种类型，而造成大范围灾害的通常是构造地震，起因就是地球上板块与板块之间相互挤压碰撞，造成板块边沿及板块内部产生错动和破裂，从而产生地震。

地球板块运动的速度非常慢，每年移动的平均速度不过数厘米，大致相当于人手指甲生长的速度。可是，板块运动所造成的地震却无时无刻不在。据统计，全球每年会发生500万次地震，这意味着每分钟就发生10次地震。在这些地震中，约有10万次能为人感觉到，只有100个能造成灾害；真正能对人类造成严重破坏的地震，全世界每年大约有一二十次；而像唐山、汶川地震那样大规模的地震，平均每年也只有一两次。

地震的分布地域很不均匀：绝大多数地震分布于板块交接处，而在太平洋板块与其他板块之间分布更为密集。比如，每年南加州发生的地震就有1万次之多，其中只有百分之几的地震震级超过3.0，其中震级超过4.0的只有15~20次。

地震，谁能准确预报

对于从事地震预报研究的科学家来说，最重要的就是要知道地震发生的时间、地点及其破坏性。迄今为止，还没有任何组织、个人能对地震进行准确预测。

不过科学家能通过断层、过去地震的分布等判断地震出现的频率，预测某一地区未来发生地震的几率。因此，地震预测经常采取这样的预报方式：在某地区未来50年内发生地震的概率为90%。上世纪中期，美国科学家对加利福尼亚州中部的一个断层进行研究后认为，这一地区将在80年代发生6.0级地震，居民在惊慌中迎来了80年代，地震爽约了；进入90年代直至今日，灾难仍未降临。

日本曾是世界上最为专注地震预报研究的国家，也曾成立了一系列的组织，在全国范围内布置了如蛛网般密集的地震观测网和地形变观测网，利用地球物理学、地质学和化学方法进行地震预测。1994年，日本政府在东海地区布置了地震监测网，坚信该地区将会发生大地震。然而东海地震迟迟未来，而其他地区却地震频发……

1997年，罗伯特•盖勒（Robert Geller）等科学家在《科学》（Science）杂志上发表了地震不可预测的文章。他们根据非线性系统的混沌理论的结果，认为任何一个小地震均可能演变为灾难性的地震，演变是否会发生则取决于地球内部一些无法测定的因素。他们的最终观点是：地震预测研究毫无希望，人们应放弃在几小时、几天或几个月之前预测到地震的希望。这篇文章引起了轩然大波，并一度对地震学界和政府产生了影响。

经过数年的辩论，多数地震学家仍在努力研究地震预测。目前的地震研究更关注那些比较频繁的小地震：通过对小地震进行观测、分析，了解地震的具体过程，来达到预测大地震、毁灭性地震这一长远目标。科学家们在地震活跃区安置了大量地震监测设备，建立起密集的监测网络，监测地震活动的地点及持续时间，了解地震活动的异常现象；同时通过各种仪器测量地震前发生的地球物理上的变化，如地表倾斜度和断层附近的磁场变化，尝试对地震进行预测。

尽管多数地震学家坚信地震可预测，但真正准确、可靠预报地震的案例如凤毛麟角。1975年2月4日，中国成功预报了辽宁海城地震，这也是联合国迄今为止所承认的唯一一个准确预报的地震案例。

地震先兆动物先知？

在中国和日本，除了利用地质学、地球化学、地球物理学等手段外，人们也曾多次使用一种特殊的手段进行地震预报，那就是通过观察动物的行为来监测地震。

几千年前，人们就注意到很多动物在地震前会有行为异常。公元前373年，古希腊赫利刻城大地震的前几天，老鼠、黄鼠狼、蛇和蜈蚣纷纷离开窝巢出逃。地震前动物出现异常行为在中国也屡见不鲜：20世纪20年代，宁夏省海原县发生里氏8.5级大地震，地震之前，狼群四处疯跑，狗狂吠，麻雀乱飞；1966年河北省邢台地震前，位于震中附近的狗都弃窝而去，因而存活了下来；1969年7月18日在渤海发生7.4级地震，震前，海鸥、鲨鱼等均出现异常行为，在天津动物园大熊猫、鹿、牦牛、泥鳅、老虎也出现了异常行为，人们据此发布了地震预报。

据统计，在地震前，尤其是地震前24小时内，动物的异常行为尤其频繁。老鼠、鱼、蛇等动物的异常行为则早在地震发生前三天就有所表现，这种现象会一直持续到地震前几个小时甚至几分钟。

利用动物异常行为预报地震的最好案例，就是中国成功预测了1975年初的辽宁海城地震。1974年底隆冬之季，大量蛇停止冬眠，爬出洞穴最终冻死在冰冷的地面上，大批老鼠逃亡，随之在12月末发生了一系列的前震（大震之前的小震）。次年1月，动物异常行为更加频繁，达数千起之多，海城当地冬眠的蛇从洞穴里钻出来冻死在雪地里；2月份最初的三天内，动物异常行为越加频繁，牛、马、狗等大型动物也表现出不寻常的行为。2月4日，一场7.3级的大地震袭击了海城……由于预报及时，这场地震造成的人员和财产损失非常小。

那么，动物为何能预知地震呢？动物的行为可能是由于地震前地球物理、地球化学等变化引起的。一些动物能敏锐地感觉到地震来临之前的电磁变化以及自身的变化，并调整自身的行为来适应整个环境。它们生命系统的不同部位对周围媒介的变化，使其作出异常反应。现在科学家们已经采用新的仪器和固体电子传感器对动物进行实验，观察它们在大灾难到来前的反应。

海城地震的成功预报，使世人看到了地震准确预报的希望。不过1976年7月28日唐山大地震，尽管科学家已侦测到发现地震先兆，如地球物理、地球化学信号异常，更观察到了多起动物异常行为，但出现异常的范围非常大，中国科学家难以确定具体方位，因此未能做出精确的预报。科学家们认识到，地震的准确预报任重而道远。

预警更重要

既然地震预测仍是一世纪难题，那么在目前的条件下，如何能为公众尽早提供地震预警，最大程度上降低地震所造成的灾害呢？地震速报系统就是为此目的而建立的。

根据目前的地震形成理论，造成地震的原因是断层破裂。断层破裂时，两侧的岩体会相对移动，并释放出累积的能量。大部分的能量在克服摩擦力中损失，并以热能呈现，另一部分能量则造成岩体快速的位移，形成弹性波，释放到附近的地壳中。当岩体快速位移时，所产生的推力会形成压缩波，即所谓的P波，沿着断层面的相对位移则形成剪力波，即所谓的S波。其中P波在所有地震波中，前进速度最快，每秒钟传播7公里，也最先到达；而S波前进速度仅次于P波，速度为每秒钟4公里，不过振幅是P波的3~10倍，破坏力强得多。因此，提前探测到P波将为避灾提供数秒乃至数分钟的时间。

地震监测点探测到先到的P波后，强大的计算机系统可快速判断是否将有破坏性的地震出现，并通过通讯网络将信息进行发布，切断相应的一些关键设施，如煤气、电厂等，并通过通讯系统为公众提供预警，从而避免更大的破坏。这套系统被称为地震快速预警系统，在墨西哥、日本以及美国加州等区域已获得广泛使用。在此次日本大地震中，正是由于地震快速预警系统，福岛的核电站系统在地震破坏之前被关闭，否则将会造成更大的损失。2008年6月，宫城地区曾发生里氏7.2级地震，离震源70公里的日本仙台市在那次地震波到达15.32秒前接到了预警。

尽管目前地震预报仍是一世纪难题，但科学家从未放弃努力。德州休斯顿莱斯大学华裔地质学教授牛凤麟的研究小组研发的新科技，已可以在数小时前侦测出地震即将发生。2005年圣诞节和新年前夕，牛凤麟的研究团队分别成功地在数小时前在加州侦测到地震。他们在加州帕克斐德四周的圣安德里亚斯断层，插进1000米长的精密电子侦测器，结果在10小时前和2小时前都侦测到地震。这个研究团队计划在圣安德里亚斯断层更深处安装侦测器，以便更精准地侦测地震。

（作者单位：上海世博会事务协调局中国馆部）