活动地块理论框架下的地震物理预报展望与探测仪器设备

石冬

（河南省濮阳市范县防震减灾中心，河南 濮阳 457500）

目前，全球性地震灾害活动的程度日益加剧，我国也是频繁发生严重地震灾害的国家，故其要面对更加严峻的防震减灾形势。

20 世纪后期，基于国家的大力扶持，我国科学家在有机联系地震地质、地球物理、大地形变和前人研究成果的基础上，尝试对我国大陆强震活动规律提出了解释性假说，利用这种理论，可作短临地震预测。提出了用电磁波群时延差测定深层电导率变化的方法，并研制出了探测仪，积累观测资料，为今后研究中国活动构造与强震预测提出了发展方向。

1 强震机理研究与进展

我国出现的地震基本都属于板内大陆地震，而对其机理的研究和预测也坚持不懈地保持了数十年。我国地震预测研究最具代表性的事件为1966 年3 月的邢台地震，它成功揭开了我国地震基础研究的大幕。1974 年，地质学家张文佑根据地质力学理论，汲取地槽-地台说与板块构造学说的相关知识，提出了一种断块构造理论。该理论的核心是对岩石圈进行断裂分割，进一步获得大小、深浅与薄厚都不一样的断裂块体，如此也使岩石圈的断块构造产生了多级、多层与多起的显著特征。参考其规模与边界断裂程度获得四个级别的断块，即岩石圈断块、地壳断块、基底断块和盖层断块。对应这部分断块还形成了四级断裂深度，即切穿岩石圈过渡至软流圈的岩石圈断裂、切穿地壳到达莫霍面的地壳断裂、切穿地壳花岗岩层后到达康氏界面的基地断裂以及沉积盖被切穿直达结晶基底的盖层断裂。断面附近区域的断块易发生错动，且围绕断块的上下面形成层间滑动。由于岩石圈断裂构造被全球统一构造应力场作用，以及原始菱形剪切断裂网格和发生不规则锯枝状张性断裂形成了基本断裂体及其组合，故综合作用于地壳构造带来发育限制，此外，浅层构造也容易对深层构造带来不同程度的影响。

2003 年的“大陆强震机理与预测”项目提出了活动地块假说，系统描述了我国大陆目前构造变形的基本规律，深入探究了大陆强震的形成机理和预测模式。作为独立地质单元的活动地块，其在大型晚第四纪活动构造的影响下遭遇分割与围限，同时发生了比较集中的运动。地块内稳定性持续增强，边界带构造活动异常剧烈，加之各个层次的拆离带或滑脱带有效控制深部区，故在边界带出现了多数7 级以上强震，致使地块运动高度统一。我国大陆早期包括5 个一级活动块体与若干个次一级活动地块。

我国大陆的活动地块呈现出多个显著特征：新生性。活动地块形成于晚新生代，且延伸发展到目前，这部分地质单元始终保持活动状态，并与断块、地槽、地台存在显著不同；整体性。活动地块内稳定性强，构造变形日趋平稳，但在活动地块边界发生强烈震动与构造变形；立体性。活动地块的运动与变形容易被板块边界驱动威胁，同时深部产生动力影响；层次性。活动地块形成了不同级别，大规模次级地块集中拼凑成大地块，其有效适应大地震，而小地块很好适应了小地震。以上研究表明，由我国大陆晚第四纪构造变形的显著特征可知，基于大陆强震的特殊现象，初步在我国大陆活动地块轮廓与边界断裂之间建立了一种深浅耦合的关系，突出了活动地块的运动规律，使地块间的作用更为突出，进一步强化了与强震的内部关系。

四川汶川发生的8.0 级特大地震，对其研究的专家学者初步总结了本次地震的发生规律，学者提出了一些创新性的想法。在全面掌握龙门山的地质结构形成特定与地震携带的反常自然现象，研究人员综合调研结果提出了发震机制假设，地震发震造成了压力巨大的天然气体，由于其流动在低强度面致使岩体破裂、地层隆起，从而出现反弹问题。在巨厚三叠纪与海相沉积地层间源源不断产生大量天然气，当其完全填满大型缝洞闭圈构造时，随着时间的延续，天然气不断流入缝洞，带动了压力的快速上涨，最终被迫转移至破裂岩层、推覆断层面或不整合面，如此形成地震。一般来讲，地震的形成必须具有断陷盆地，而高压天然气体与其增生突出是地震形成的充分条件。这一创新性理念支撑了地震气爆论，推动地震预报研究工作的可持续发展。

2 活动地块理论的应用

2.1 在强震中长期预测中的应用

经全面系统的研究地块边界带的构造与强震活动过程可知，在边界带强震活动水平、构造活动速度与强震复发环节之间形成了一种彼此呼应的关系，再次证明边界带的构造变形较大程度限制了中国强震，依据各边界带地震应变释放情况揭示中国的地震活动规律，从而对活动地块边界带强震活动特性进行预测。根据这部分研究理论，联系各边界带的地震活动数据获得强震活动强度与复发规律，且结合边界带地震的发生情况，总结各边界带的危险性，进一步掌握各边界带的危险等级和分区活动规律，充分说明我国大陆活动边界带上强震活动的区别和动力来源。再对多条活动地块边界带上地震形成的变异参数科学计算，从而了解各边界带的地震活动形式，判断我国大陆各区域的地震活动体现出对应的活动特点，其物理机制也出现了区别，基于此，计算对数正态分布函数，以对各活动地块边界带的危险程度科学判定。

2.2 强震机理模型的细化

汶川8 级地震客观验证了活动地块假说的预测，且对活动地块假说的理论依据进行了考验。绝大部分学者将地质、地球物理和大地测量等数据联系在一起，建立了能应对强震的预测模型。以对与汶川地震相关的地表破裂、余震分布、地壳变形等客观剖析，综合把握了震前构造变形规律，围绕汶川地震孕育机理构架了多元化模型，由此发现在块体边界两侧的岩石圈出现了结构与性质差异，顺势造成变形模式与应力累积的区别，当其统一发挥作用时快速积累了边界断裂带引力，由此产生了汶川特大地震。

结合大量研究表明，一旦活动地块边界带所处区域偏大时，则会带来非常明显的强震活动。阿尔金-祁连山-六盘山作为我国大陆活动地块边界规模最大的区域，其将若干Ⅰ级活动地块有机联系在一起，同时，两侧也陆续出现了很多Ⅱ级活动地块，它们的活动带有显著差异性。在对边界带内活动断裂结果分析可知，在该区域内的活动异常复杂且频繁，由不同走向的3 条活动断裂构成了内部结构，且会被大型走滑断裂所掌控，二者与走滑断裂的顶端共同作为逆冲构造发育区。

2.3 活动地块假说理论体系的发展

地球科学最显著的特别便是综合性，从一个假设学说的产生到形成比较完善的理论体系，这个过程非常漫长。活动地块假说的研究关键在于归纳历史与现代活动特点，收集结构活动和大地测量等相关资料，证明了活动地块变形对我国大陆强震有效控制的事实。与其有关的研究工作对活动地块的综合特点与边界结构实现了全面研究，形成了最初的理论体系。

我国大陆地块地震活跃度最高的为青藏高原，而该地产生强震次数取决于活动地块边界带与块体内次级边界活动情况，也可以认为海拔是该区域活动断裂分布与强震发生状况的最直接影响因素。若高原的低海拔区产生了逆冲断裂与逆冲型强震，则高原内部会形成正向断裂与共轭走滑断裂，此外，高原各个海拔地区也形成了走滑断裂，相对而言，北部为左旋走滑动。

3 探测仪器

结合上述原理，设计出了探测来自不同深度地层的电磁波到达地面的时间差的仪器。（1）本仪器仅测时间差，故不会对辐射提出要求。（2）由于探测的对象是深层，故采用等于或小于1Hz 的频率。（3）传感器感应的信号包括有用与无用的信号，且小信号与大信号叠加。一般来讲，50Hz 工频最强，一般将其作为干扰信号，尽可能消除。探地使用明显小于50Hz 的频率，可以把50Hz作为载波。如此便减小了传感器的尺度，达到了点式探测。（4）探地信号对应有始时间函数，其前沿包括阶跃的和非阶跃的。一般来讲，自然源中入射波代表阶跃式的脉冲，而从地下返回的波前沿为非阶跃式脉冲。总之，介绍的都是有脉冲性质的信号。对地层电性结构，计算群时延差，结果表明，频率为1Hz 的时差基本都超过了10ms。频率降低时差升高。如此需要仪器对时差为10ms 的相邻两个脉冲信号进行区分。故探测仪应迅速响应信号。

信号来源：自然源，雷电形成的电磁波透入地下的入射波与不同地层的二次发射；人工源，在地面人为发射电磁波，与自然源有相同的接收方式。另一是在不同深度分别埋一个发射器，由地面设备控制。

传感器：磁场传感器，由于降低了频率，故用高导磁率的磁棒。磁棒长24cm，直径2.5cm，在5cm 框架内多层绕制。要想对磁场传感器感应电压不断提高，可采取磁棒长度与直径之比超过10 的磁棒，加大线圈圈数。相应调整前置效益。

电场传感器，采取长条形敷铜板和电视用拉杆天线，还可以采取单根粗直导线，长度结合需求在1 ～10m 选择。或采取1m 多根导线与相邻导线并联，保持5cm。如此可对相对电容不断增加，减小阻抗，使传感器与前置间的电压传输系统增大。电场传感器可对人体作出快速感应，测试时应谨慎。

磁棒传感器与平板传感器对比：前者感应电压与频率产生正比关系，后者与频率没有关系；后者感应电压超过前者；前者表现出方向性，后者降低了方向性；具体应用时，前者改动困难，后者更易改动。

3.1 在地面接收的自然信号

（1）电场传感器与磁场传感器可得到相同的效果。（2）仪器可输出几伏到十几伏的脉冲幅度。而传感器的尺度极小感应电压小，1Hz 电场接收的总增益约为80分贝，折算输出到仪器输入，入场波场强超过毫伏/米，由此发现，自然源有较大场强。（3）自然源并不是密集到不能分辨，也不是稀少到无法收集到充足的观测数据。（4）在每个大脉冲(入射波)后，有一组时间延后，幅度减小的脉冲。如果这些脉冲来自地下信号，是很容易理解的。因为深度越大，到达地面的时间越迟，一般而言，深度越大，到达地面的信号幅度也越小。（5）本仪器使用的频率是1Hz 和0.2Hz。输出波形表明自然源中含有这种低频。（6）仪器输出波形清晰，转折点的位置容易确定，有利于测定转折点间的群时延差(时差)。

总之，从地面接收的信号表明，把50Hz 当作载波看待，采用尺度小的电场传感器或磁场传感器，利用自然源都是可行的。

3.2 有用信息识别

自然界总是存在各种电磁脉冲，在没有所需要的信号时，带通仍有输出，一般不为0。当新的脉 冲信号来到时，叠加到原存在的输出上，就会出现一个转折点(在此点，波形曲线的斜率发生非连续变化)。转折点是判断有无新脉冲信号到来的依据。带通输出波形上的转折点与整流输出波形上的转折点是对应的。但整流输出波形上的转折点更明显，这与理论分析中用差分法处理带通输出数据得到的图形类似。说明用实验方法证明了理论分析是正确的，根据理论分析，地层的二次发射(如反射波)到达地面的时刻。都在带通中心频率四分之一的周期(T0/4)内。在输出波形中，从上升幅度最大(入射波)的前沿起点算起，到T0/4 止，在这个时段内寻找有用信息。有用信息的特征是：在通常情况下，在这个时段内，来自地下有用信号形成的转折点个数与转折点间的时差有稳定性，重复性。而出现在这个时段内无用的随机信号，则是不稳定的。对比多次观测，就可把随机信号排除。由起点到第一个转折点的时差，反映的是地表层的情况，这个时差的变化在平时可用于考察人为和气象等因素的影响。对预测短临地震而言，应关注深层，即第二个转折点后的时差变化。在实际应用中，只需将各次观测记录的图形进行对比，在通常情况下，这些转折点基本上应是重合的，在临震前才可能有较大的错位，这表示电导率出现了异常变化。

4 结语

我国大陆几乎都是在活动地块边界带发生强震，如此不仅检验了活动地块假说理论，还预测了活动地块边界带内是强震发生的集中应力位置。但对于活动地块的概念与理论，还出现了很多需要解决的问题。因此，有必要构建对活动地块理论进行检验的物理模型，在已知地层电性结构的地方进行观测，这将能尽快地验证有无来自地层的低频电磁波，以及能否识别有用信号等。